尹舒倩，王世興，趙 濤，邱秀云，拜亞茹

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052）

1 工程概述

某水電站為梯級(jí)開發(fā)中的第3級(jí)引水式電站，發(fā)電引水流量110.8m3/s，前池正常水位1 806.418m，前池最高水位1 807.718m，結(jié)構(gòu)主要由前室、進(jìn)水室、泄水閘及泄水陡坡等建筑物組成，泄水陡坡布置于泄水閘后，主要由漸變段、緩坡段、陡槽段、消力池及尾部渠道段組成，除尾部渠道段采用梯形斷面型式外，其余部位均采用矩形槽斷面型式。泄水閘凈寬10m，長(zhǎng)15m。漸變段長(zhǎng)30m，縱坡為i＝1/500，底寬由10m漸變至4m，墻高6.771m。緩坡段長(zhǎng)114.358m，縱坡1/500，與陡槽之間采用渥曲方程相銜接，陡槽段全長(zhǎng)335.23m，縱坡1/3.82，一級(jí)消力池后縱坡為1/3.295，底寬4m，共設(shè)兩級(jí)消力池。

泄水陡坡是引水式電站的關(guān)鍵部位，因此其消能方式的選擇對(duì)引水式電站的整體布局起著至關(guān)重要的作用[1]，國(guó)內(nèi)類似工程中邱秀云等[2]在卡群一級(jí)水電站泄水陡坡中使用了懸柵式消能工，該電站引水渠的設(shè)計(jì)流量為60m3/s，加大流量為70m3/s，冬季最大流量為35m3/s，消能效果顯著。其原理是通過布置懸柵，使水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，消耗大量的機(jī)械能，提高了消能率，穩(wěn)定水流流態(tài)[3]。因此本文選擇懸柵式消能工作為輔助消能工。

本水工模型試驗(yàn)是在初步設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，根據(jù)基本資料和工程運(yùn)用要求，通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證泄水陡坡過流能力以及消能方案的合理性，在此基礎(chǔ)上提出輔助消能措施以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

2 模型設(shè)計(jì)與模型制作

2.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)、供水以及場(chǎng)地等條件，本模型試驗(yàn)依據(jù)規(guī)范按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型比尺需依據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容場(chǎng)地以及供水、模型類型選定。本模型屬于單體模型，比尺不宜小于1∶80，故經(jīng)過綜合比選，本模型幾何比尺選定為λL＝35，流量比尺λQ＝＝7 247.2，流速比尺λv＝λL0.5＝5.916，糙率比尺λn＝λL1/6＝1.809[4－6]。模型模擬范圍自泄水閘上游150m，至下游最末一級(jí)消力池后300m尾水渠。模型布置如圖1、圖2所示。

圖1 泄水陡坡剖面圖

圖2 泄水陡坡平面布置圖

2.2 模型制作

模型由高水箱控制段、引渠段、前池段（包括泄水舌瓣閘門、閘后彎道段、溢流堰、堰后銜接段）、陡坡段（包括各段陡坡末端消力池）、尾水渠等部分組成。原型中的固體壁面均為混凝土材料，根據(jù)相似準(zhǔn)則，選用有機(jī)玻璃制作模型。有機(jī)玻璃的糙率為0.0076～0.0086，換算成原型為0.014～0.016，與混凝土的糙率十分接近。

模型流量量測(cè)系統(tǒng)由上游量水堰和下游量水堰（均為薄壁堰）組成，來流量由上下游量水堰共同量測(cè)。經(jīng)過率定，整個(gè)模型系統(tǒng)的上、下游流量誤差不超過±5%。流速采用LGY－Ш型多功能智能流速儀測(cè)量；水位測(cè)量采用水準(zhǔn)儀和鋼板尺[7]。模型的放線精度及制作安裝精度均符合水利部《河工動(dòng)床模型試驗(yàn)規(guī)程》[8]（SL99－2012）及《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》[9]（SL155－2012）的要求，整個(gè)試驗(yàn)過程也按照上述規(guī)范進(jìn)行。

3 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果及優(yōu)化

3.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

原設(shè)計(jì)方案共有4種工況（見表1），分別對(duì)4種工況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

表1 泄洪工況表

（1）工況1:當(dāng)水位為1 806.418m時(shí)，泄水閘門全開，水流全部經(jīng)泄水閘室流經(jīng)彎道泄入陡坡。由試驗(yàn)可以觀察到泄水閘流態(tài)為充分淹沒的寬頂堰流，泄水閘過流能力為63m3/s（小于此水位下的計(jì)算設(shè)計(jì)流量64.4m3/s）。90°彎道段水面逐漸降低，流速逐漸增加，彎道段水面平穩(wěn)，沒有水躍發(fā)生。按照實(shí)測(cè)流量以及彎道尺寸可以計(jì)算得出此時(shí)臨界水深為2.93m，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出彎道段為緩流流態(tài)。試驗(yàn)表明，在此工況下各級(jí)消力池均能滿足泄流消能要求。說明消力池的體型能滿足此種工況；各邊墻高度均能滿足運(yùn)行需要，設(shè)計(jì)邊墻高度與水深的最小差值發(fā)生在三級(jí)消力池末端:水深6.83 m，邊墻高度8.5m，相差1.67m。最大流速發(fā)生在一級(jí)消力池上游陡槽末端，流速為23.4m/s。

（2）工況2:當(dāng)水位為1 807.718m時(shí)（前池最高水位），泄水閘門全開，泄水閘與溢流堰均過流。由試驗(yàn)測(cè)得，此時(shí)堰閘過流能力合計(jì)為98.4m3/s（計(jì)算設(shè)計(jì)流量為118m3/s）。彎道及過堰水流流態(tài)平穩(wěn)，90°彎道后半段以及堰后與陡坡之間的銜接段部位水流均躍出邊墻，其余部位設(shè)計(jì)邊墻高度基本滿足要求。由試驗(yàn)可觀測(cè)到，堰后銜接段為緩流流態(tài)，陡槽各級(jí)消力池長(zhǎng)度均偏短，水躍消能不夠充分。一、二級(jí)消力池邊墻設(shè)計(jì)高度基本符合要求，但漩滾劇烈。第三級(jí)消力池深度不夠，時(shí)有涌浪翻出池外。最大流速發(fā)生在二級(jí)消力池上游陡槽末端斷面，流速為26.8m/s。

（3）工況3:當(dāng)水位為1 807.718m時(shí)（前池最高水位），泄水閘門關(guān)閉，水流全部從溢流堰下泄。由試驗(yàn)觀測(cè)到，此時(shí)堰后水位高于堰頂高程，為典型的淹沒出流。此時(shí)曲線型堰的過流能力為76.9 m3/s（小于此水位下的計(jì)算校核流量98.9m3/s）。由于堰后水位高于堰頂，形成大淹沒度的淹沒出流。由此表明，堰后消力池是多余的。陡槽段各級(jí)消力池除第三級(jí)消力池中有涌浪翻出池外，其它消力池均能滿足泄流消能要求。彎道及陡槽段各部位水深均低于邊墻高度，邊墻高度與水深之間的差值均大于0.7m。大流速發(fā)生在二級(jí)消力池上游陡槽末端，流速為26.4m/s。

（4）工況4:泄水陡坡流量110.8m3/s，泄水閘與溢流堰均過流。90°彎道以及曲線堰后各部位水深流態(tài)同工況3各級(jí)消力池長(zhǎng)度均偏短，水躍消能不夠充分，一、二級(jí)消力池邊墻設(shè)計(jì)高度基本符合要求，但第三級(jí)消力池深度不夠，水躍漩滾劇烈，涌浪時(shí)常翻出池外。最大流速發(fā)生在二級(jí)消力池上游陡槽末端斷面，流速為27.2m/s。

3.2 原設(shè)計(jì)方案存在的問題

通過以上4種工況的試驗(yàn)結(jié)果分析，原設(shè)計(jì)方案存在以下幾個(gè)問題:

（1）各工況下，試驗(yàn)實(shí)測(cè)流量均小于設(shè)計(jì)值。由此表明，原設(shè)計(jì)方案的泄洪能力不能滿足泄洪要求。

（2）在工況3、工況4下，堰后銜接段及90°彎道的邊墻高度不足。

（3）各工況下，堰后與陡坡之間的銜接段均呈現(xiàn)緩流流態(tài)，因此堰后沒必要設(shè)置消力池；除設(shè)計(jì)水位外，第三級(jí)消力池中均有涌浪翻出池外，表明此時(shí)消力池邊墻高度偏低。在校核水位閘門全開及泄水陡坡流量110.8m3/s情況下，各級(jí)消力池中水躍躍出池外，表明池長(zhǎng)池深不足。

4 原設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化及成果

4.1 原設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

4.1.1 泄水陡坡體型優(yōu)化

對(duì)原設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn)，在工況1、工況2、工況3下，通過的流量均小于設(shè)計(jì)流量。究其原因主要是設(shè)計(jì)流量是按照堰在自由出流的情況下進(jìn)行計(jì)算的，而試驗(yàn)結(jié)果卻表明，各工況下堰的出流為淹沒出流，從而導(dǎo)致泄水陡坡過流能力偏低。因此，本文在保持其它尺寸不變的情況下，將泄水閘門后的90°彎道段底坡由原來的1/500變陡至1/100。此外，由于原設(shè)計(jì)方案各工況堰后銜接段中的消力池起不到消力作用，所以直接將其改為坡度為1/20.93的斜坡，銜接段出口與陡坡相交處底部高程降至1 800.502m。優(yōu)化前后堰后銜接段如圖3、圖4所示。

圖3 原方案堰后銜接處

4.1.2 消力池體型優(yōu)化

針對(duì)陡槽段各級(jí)消力池中水面波動(dòng)大、流態(tài)惡劣的問題，本試驗(yàn)在消力池中設(shè)置了消能懸柵[10－15]，以增大效能率。懸柵的布置形式及尺寸如圖5、圖6所示。同時(shí)為降低池后渠中流速，避免渠道沖刷破壞，將第三級(jí)消力池池深由3.5m減少至2.65m，以此減小下游渠道底坡。

圖4 優(yōu)化后堰后銜接處

圖5 一、二級(jí)消力池懸柵布置型式及尺寸

4.2 優(yōu)化體型試驗(yàn)成果及分析

4.2.1 泄水陡坡體型優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

各工況下，對(duì)優(yōu)化后的體型進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 各工況下的泄流量

圖6 第三級(jí)消力池懸柵布置型式及尺寸

試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后各工況下泄水陡坡的泄流量均大于或接近于設(shè)計(jì)值。由此表明優(yōu)化后的泄水陡坡體型是能夠滿足泄流能力要求的。

4.2.2 消力池加?xùn)旁囼?yàn)

試驗(yàn)中分別對(duì)不同柵條間距以及單層和雙層?xùn)艞l進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，在各級(jí)消力池中加設(shè)雙層懸柵可以有效地平穩(wěn)池內(nèi)水流，改善消力池內(nèi)水流流態(tài)，降低消力池末端流速。表3為工況2下消力池下游渠中的流速及水深對(duì)比表。由表3可見工況2情況下各級(jí)消力池在設(shè)置懸柵后流速降低，水深增大。

表3 工況2加?xùn)徘昂蟮湫蛿嗝媪魉偎顚?duì)比表

5 結(jié) 論

本文在對(duì)某水電站泄水陡坡的水工模型進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)后，得出了以下結(jié)論:

（1）優(yōu)化后泄水陡坡結(jié)構(gòu)布置合理。

（2）各工況下舌瓣閘門和溢流堰的過流能力均能滿足設(shè)計(jì)要求.

（3）在各級(jí)消力池中加設(shè)雙層懸柵可有效地降低消力池末端流速，平順池內(nèi)水流。其中，在第三級(jí)消力池中設(shè)置的雙層懸柵效果更為顯著，有效地降低了其后尾水渠中的流速。

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