常云華，楊 效，李宗偉，吳 亮

（1.長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130012；2.蛟河市水利局，蛟河 132500）

0 引言

福生水電站工程主要由擋水壩、溢流壩、泄水閘、沖砂閘、發(fā)電廠房組成。自由溢流壩布置在主河床右側(cè)，壩段長度86.50 m；翻板門泄水閘壩段布置在主河床，共設(shè)22孔翻板門，沖砂閘壩段布置在主河床，壩段長度20.80 m 共設(shè)2個(gè)孔，每孔寬8.00 m，堰頂高程415.50 m；邊墩厚1.50 m，中墩厚1.8 m，下游均采用底流消能型式，消力池池長16.0 m，池內(nèi)布置消力墩以提高消能效果。

壩基為玄武安山巖，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般2～3 m，以下為中等風(fēng)化巖石。下游河道開挖后基本為巖基，當(dāng)水深小于2 m時(shí)，中等風(fēng)化基巖抗沖刷流速為2～3 m/s。

由于水電站位于松花江流域頭道松花江中下游，且為河床式電站，水頭低，流量大，因此下泄水流佛汝德數(shù)低，工程設(shè)計(jì)所采用的消能工能否滿足設(shè)計(jì)要求以及泄流能力如何都需要模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)研究內(nèi)容

（1）驗(yàn)證沖沙閘各種頻率洪水時(shí)的泄流能力。

（2）提供宣泄各種頻率洪水時(shí)泄水建筑物上的水面線、流態(tài)及流速分布。

（3）提供宣泄各種頻率洪水時(shí)消能效果及對下游沖刷影響。

（4）優(yōu)化消能建筑物型式和詳細(xì)的結(jié)構(gòu)尺寸，并達(dá)到較好的消能效果。

2 設(shè)計(jì)提供的資料

福生水電站壩址處各頻率洪水的洪峰流量見表1。

表1 壩址各頻率洪水的洪峰流量及調(diào)洪成果

不同工況下的沖沙閘泄流量見圖5（a）中原設(shè)計(jì)泄流曲線，尾水位按下游壩址水位流量關(guān)系查得。

3 模型設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)模型試驗(yàn)的目的和要求，采用斷面模型進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)在1 m寬的玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行。模型幾何比尺采用λ翻＝λL＝λH＝25。模型其他比尺見表2。

表2 模型比尺計(jì)算成果表

堰體部分采用水泥刮制，消力池及閘墩部分采用有機(jī)玻璃制作；上游河道按定床用紅磚鋪砌；下游河道按動床采用常規(guī)的散砂礫模擬。根據(jù)設(shè)計(jì)提供的河床地質(zhì)巖石抗沖流速2.0 m/s，按依茲巴什公式抗沖流速/m·s－1；d——散沙料粒徑/m；k—巖性系數(shù)，一般取5～7）計(jì)算得原型沙粒徑，按模型比尺換算相應(yīng)的模型砂粒徑，并篩選該粒徑范圍的散砂礫作為模型砂。

沖沙閘設(shè)計(jì)方案模型布置見圖1。

圖1 沖沙閘設(shè)計(jì)方案模型布置圖

4 模型試驗(yàn)

沖砂閘原設(shè)計(jì)消力池池深1.5 m，尾坎高1.5 m，池長同溢流壩16.0 m，布置單排消力墩，墩高1.5 m，垂直水流方向墩間距1.5 m，試驗(yàn)中對不同的消力墩布置和尺寸及尾坎高進(jìn)行了優(yōu)化。

優(yōu)化方案1（雙排小墩）：消力池池長不變，消力墩布置成2排，消力墩順?biāo)鞣较蝽攲?.3 m，底寬1.3 m，高1.0 m，垂直方向?qū)?.0 m，間距2.0 m，兩排消力墩凈距2.0 m。

優(yōu)化方案2（雙排墩前小后大）：池長布置不變，將第2排消力墩尺寸加大，順?biāo)黜攲?.3 m，底寬1.8 m，高1.5 m，垂直水流方向凈距2.0 m。

優(yōu)化方案3（雙排，前大后?。簩⑸嫌蔚?排消力墩0＋016.7布置大墩，之后0＋020布置小墩，尾坎高度由原設(shè)計(jì)的1.5 m高減小為1.25 m。

4.1 泄流能力

模型試驗(yàn)分別對原設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案的沖沙閘閘門全開時(shí)在上游不同運(yùn)行水位情況下的泄流能力進(jìn)行了試驗(yàn)，下游水位按泄水建筑物全部開閘泄水確定，泄流曲線見圖2。

圖2 沖沙閘試驗(yàn)各方案泄流曲線

將沖沙閘的試驗(yàn)曲線經(jīng)擬合后得到?jīng)_沙閘試驗(yàn)推薦方案的泄流曲線，擬合度達(dá)到0.9963，擬合較好，擬合后的泄流曲線見圖3。

圖3 沖沙閘試驗(yàn)推薦方案泄流曲線

4.2 流速、流態(tài)及水面線

對原設(shè)計(jì)及各優(yōu)化方案在宣泄各種頻率洪水時(shí)泄水建筑物全部開敞泄流的水面線、流態(tài)及流速分布進(jìn)行了試驗(yàn)觀測，典型工況成果見圖4和圖5。

在校核和設(shè)計(jì)洪水工況下，原設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化方案過閘水流流速均較大，受閘墩影響，墩前水面雍高，閘后水流水躍不穩(wěn)定，形態(tài)較小，水躍躍前發(fā)生在消力池前部，躍后止于消力墩與尾坎之間，下游水流表面波動較大，下游試驗(yàn)段70 m長河道沖刷均較嚴(yán)重，原設(shè)計(jì)方案在樁號0＋40.00左右有間歇性二次水躍產(chǎn)生，優(yōu)化方案3二次水躍不明顯。

流量632.758 m3/s，上游水位423.36 m，下游水位420.91 m

流量470.27 m3/s，上游水位422.08 m，下游水位419.70 m

圖4 沖沙閘原設(shè)計(jì)方案水面線及流速圖

流量565.328 m3/s，上游水位422.76 m，下游水位420.42 m

流量316.130 m3/s，上游水位420.78 m，下游水位418.42 m

圖5 沖沙閘優(yōu)化后采用方案水面線及流速圖

在消能設(shè)計(jì)工況下，閘前水流流速較大，流態(tài)較平穩(wěn)，入池水流形成水躍，水躍發(fā)生在護(hù)坦中部，止于消力墩前，池內(nèi)水體紊動充分，出池后水流流速較大，水面有波動，原設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2均有間歇性二次水躍產(chǎn)生，下游河道沖刷較嚴(yán)重。

在小洪水工況下，閘前水流流態(tài)較平穩(wěn)，水躍發(fā)生在消力池中部，止于消力墩前，紊動較充分，除優(yōu)化方案3外，其他方案出池后水流均產(chǎn)生不穩(wěn)定的二次水躍。

4.3 消能沖刷

4.3.1 消能率

底流式消力池利用水躍消能，消能效果可用消能率來判斷，計(jì)算公式如下：

式中：kj——消能率，%

E0——以消力池底起算的上游總水頭，E＝

T0＋α0υ02/2g

Et——池后剩余水頭，E0＝Tt＋αtυt2/2g

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算各種工況下的消能率結(jié)果如表3。

表3 沖沙閘消能率試驗(yàn)成果匯總表

從結(jié)果看，原設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2消能效果基本接近，優(yōu)化方案3的消能效果優(yōu)于其他方案。

表4 實(shí)測沖沙閘沖刷深度及位置表

4.3.2 池后沖刷

出池后的水流仍有較大的余能，對下游河道產(chǎn)生沖刷。實(shí)測各種工況的沖刷深度及位置見表4。

5 結(jié)語

（1）實(shí)測結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2和優(yōu)化方案3隨著上游水位的抬高，沖砂閘泄流能力加大趨勢較設(shè)計(jì)計(jì)算值明顯，泄流量均能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）優(yōu)化方案3除土石壩校核洪水工況外，下游均沒有二次水躍產(chǎn)生，其他方案在各種工況下池后均產(chǎn)生不穩(wěn)定的二次水躍，分析可能是由于流速大尾坎較高所致；消能率在19%～27%之間；沖坑深度較深，最大沖坑深3.27 m，最小沖坑深1.78 m，沖坑上游坡比滿足規(guī)范要求。

（4）下游河道右側(cè)較左側(cè)沖刷嚴(yán)重，最大相差近1 m，分析是消力池兩側(cè)導(dǎo)墻布置不對稱引起。

（5）實(shí)測原設(shè)計(jì)方案各工況泄流量均大于設(shè)計(jì)計(jì)算值；3個(gè)優(yōu)化方案除小洪水5 a一遇工況略低于設(shè)計(jì)值外，其他工況均大于或等于設(shè)計(jì)值，泄流能力滿足要求；設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案3在消能設(shè)計(jì)工況下的消能率分別為24.14%和25.11%，較優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2大，其他工況下優(yōu)化方案3略大于設(shè)計(jì)方案；從沖坑深看，設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案3的沖坑深度也小于其他兩個(gè)方案，而設(shè)計(jì)方案又小于優(yōu)化方案3，且沖坑上游坡比也是設(shè)計(jì)方案略緩；池長相同，設(shè)計(jì)方案為單排消力墩，施工較為簡單；沖砂閘實(shí)測下游河道沖刷深度均比溢流壩、翻板門泄水閘大，這也符合沖砂閘的功能要求。經(jīng)分析對比，建議選用優(yōu)化方案3。

［1］SL155－95，水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［2］南京水利科學(xué)研究院，中國水利水電研究院.水工模型試驗(yàn)［M］.北京：水利水電出版社，1985：12－149.

［3］吳持恭.水力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1983：158－241.

［4］武漢大學(xué).水利力計(jì)算手冊［M］.北京：水利水電出版社，2008：359－412.