【摘 要】根據工程建設需要，為全面認證工程總體布置和建筑物結構布置的合理性，對某水電站建筑物進行水工模型實驗，分析原設計方案存在的問題，并通過優化模型的尺寸進一步實驗確定最優方案。

　　【關鍵詞】水工模型試驗;優化;泄流能力;動水壓力

　　1、工程概況

　　某水電站工程屬Ⅰ等工程，以發電為主要目的，樞紐主要建筑物有混凝土面板堆石壩、溢洪道、引水式電站廠房等。根據本工程所屬等別，其主要水工建筑物攔河壩、溢洪道及發電引水隧洞等為 1 級建筑物;發電廠房為引水式，屬 2 級建筑物，其他次要建筑物為3級建筑物。攔河壩、溢洪道及發電引水洞按1 000 年一遇洪水設計，可能最大洪水PMF校核;發電廠房按100年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核。消能防沖建筑物的洪水設計標準為100年一遇。

　　混凝土面堆石壩占據主河床，壩頂防浪墻頂高程為△ 461.85 m，壩頂高程為△460.65 m，最大壩高為 93.65 m，壩頂總長269.20 m，壩頂寬度為9.0 m。上游壩坡坡比為1∶1.4，下游總平均坡比為 1∶1.58;岸邊溢洪道由引水渠、堰體段、泄槽段及消能段組成，溢流堰為開敞式WES-V型，堰頂高程為438.80 m，設3個孔口，每孔凈寬 17 m，由弧形工作閘門控制，閘墩厚度均為4.5 m。泄槽坡度分別為1∶500、1∶3.5，溢洪道中心線長466.0 m，其最大下泄流量為 8 945 m3 /s，出口采用窄縫挑坎消能型式。電站廠房布置在大壩下游右岸坡腳處，緊靠大壩坡角，為引水式岸邊廠房。

　　2 模型設計與模型制作

　　模型按重力相似準則設計。模型幾何比尺 Lr=80，為正態整體定床 (局部動床) 水工模型。相應各水力要素比尺如下：流量比尺 Qr=Lr5/2=57 243.34;流速比尺 Vr=Lr1/2= 8.944;時間比尺Tr=Lr1/2=8.944;糙率比尺nr=Lr1/6=2.076。

　　模型截取原型范圍為上游河段取0～400 m，下游河段取 135～1 000 m，上下游兩岸地形上下游分別取至 465 m 和 415 m 高程。河床地形按設計提供的 1∶1 000 地形圖進行模擬，地形斷面間距40 m，并對兩斷面間變化較大局部地形加以插補，地形用水泥沙漿抹面，控制模型糙率與原型糙率基本相似。溢流堰、邊墩、溢洪道等采用水泥砂漿刮模精工制作，并用水砂紙打磨，中墩、溢洪道邊墻、弧形閘門等用有機玻璃制作。

　　下游河床下 0+220 m 至下 0+620 m 范圍河床做成動床，動床模型砂粒徑按公式V=K D 姨 ，式中試驗取K=5.5。根據設計提供資料，河床砂礫石層 (375～368) 允許抗沖流速為 2.5～3.5 m/s，計算得模型砂粒徑為 0.25～0.37 cm;強風化層(368～363) 允許抗沖流速為3.0～6.5 m/s，計算得模型砂粒徑為 0.37～1.75 cm;弱風化層 (363～347) 允許抗沖流速為 6.5～9.0 m/s，計算得模型砂粒徑為1.75～3.35 cm;試驗按不同抗沖流速選擇的模型砂粒徑分層鋪設。

　　3 原設計方案實驗成果

　　溢洪道消能原方案采用可行性研究階段推薦的鼻坎挑流配兩個臥底窄縫消能方式。上部挑流采用 1∶4 的反坡挑流;下部挑流分為1#、2#臥底窄縫，出口采用1∶6的反坡挑流，其中1#窄縫出口寬度為6 m，2號窄縫出口寬度為4.3m。

　　試驗表明，當下泄流量Q=6 340 m3 /s，溢流表孔全開時，由于土石壩上游面板與右邊墩呈 90°交角，水流由土石壩上游面板進入右邊孔時，在面板與右邊墩的交接處形成繞流，繞流區流態呈渦旋狀，繞流對右邊孔泄流能力造成一定影響，溢流中孔及左邊孔過流順暢。溢洪道泄槽段過流順暢，但受右邊孔過流不穩的影響，泄槽段右側水面有一定波動。水流由泄槽直沖而下至溢洪道消能段，受窄縫的作用，出坎水流形成上部挑流加窄縫射流水舌，主流集中在窄縫水舌， 2# 窄縫挑流水舌落在左岸護坡下部。挑流水舌入水后主流偏于左岸，未歸槽，下游沖坑深且偏于左岸，對邊坡穩定不利。

　　4 原設計方案的優化

　　經過7次修改方案的實驗最終在第8次修改方案后確定為最優方案，最優方案溢洪道消能段左邊墻末端 (20 m 長度)右偏10.67°，以減小左側挑流過水流量。引水段右邊墻延長至溢上0+040.00 m，結構形式為透水格柵，以減小橫向繞流范圍及橫向水位差，使進口段水流平順。

　　5 優化方案實驗成果

　　5.1 泄流能力實驗

　　溢流堰敞開泄流能力試驗成果如圖 1 所示。正常水位為 455.0 m，溢流堰閘門局部開啟時泄流能力如圖2所示。

　　5.2 動水壓力試驗

　　為了解堰面、閘墩、泄槽、窄縫段的壓力分布情況，沿溢流堰中心線底板、閘墩、泄槽右側墻和窄縫段布置測壓管 67 根，其中堰面布置了11根 (1#～11#);閘門槽布置了 4 根測壓管 (12#～15#)，閘墩側面布置了10根測壓管 (16#～25#)，泄槽底板布置了13根測壓管 (26#～38#)，泄槽側墻布置了6 根測壓管 (39#～44#)，窄縫段布置了 23 根測壓管 (45#～ 67#)。

　　實驗結果堰面3#、4#點處出現較小的負壓值，最大負壓為 Q=8 945 m3 /s時 3# 點達 -15.7 kPa，計算空化系數為 0.51。水流空化數計算公式如下：

　　σ=(h0 +hd -h)v /(v0 2 /2)g

　　式中：h0為測點動水壓力水頭，水柱高，m;hd為大氣壓力水頭，取hd=10m 水柱;hv為汽化壓力水頭，取hv =0.17m 水柱 (水溫C=15℃);v0 2 /2g為計算斷面處的平均流速水頭。

　　5.3 下游沖淤

　　下泄各級洪水流量時，下游沖坑深點基本位于河道中央。隨著下泄洪水流量增大，沖刷深坑稍偏往主河槽左側偏移，沖坑范圍向左側擴大，沖刷深度稍有增加，淤積位置向下游推移。各級流量下，廠房尾水區無淤積。

　　下泄流量Q=4 290 m3 /s時，下游沖坑最深點位于下 0+ 500 m 處，高程為 363.4 m，沖刷深度約為 18 m;下泄流量 Q=6 340 m3 /s時，下游沖坑左岸最低點位于下0+500 m 處，高程為357.4 m，沖刷深度約為24 m，右岸最低點位于下0+ 550 m 處，高程為 354.2 m，沖刷深度約為 26 m。下 0+620 m 以下河床為淤積。下泄流量PMFQ=8 945 m3 /s時，沖坑最低點已達預留動床底板高程350.0 m，實際沖坑還會進一步刷深。

　　5.4 閘門運行調度方式

　　經過試驗觀察，庫水位保持455.0 m 水位，同步均勻開啟時閘門前水流較平穩，過堰水流較平均，泄槽內水面差較小，為最佳工況;當閘門采用不同開度組合時，堰后水流不平均，泄槽內水流有橫向水位差，對后面窄縫段存在一定的不良影響，為允許工況;當閘門開度約13 m (即下泄流量約為Q=6 000 m3 /) 時開始出現脫空現象，由于閘門前水位存在橫向水 s 位差，閘門受力不平衡，對閘門結構不利，為杜絕工況。結合上述調度運行方式，建議閘門的操作方式如下：①當溢流壩下泄流量Q≤2 290 m3 /s時，左右兩個邊孔全部關閉，電站正常發電，保持壩前水位455.0 m，多余流量由中孔開啟調節下泄; ②當溢流壩下泄流量 2 290 m3 /s≤Q≤6 000 m3 /s 時，電站正常發電，多余流量由 3 孔均勻開啟下泄，保持壩前水位 455.0 m，單寬流量為 44.9～117.6 m3 /s;③當溢流壩下泄流量 Q>6 000 m3 /s后，3孔閘門全部敞開泄洪。

　　6 結論

　　①原方案出坎水流形成上部挑流加窄縫射流水舌，挑流水舌入水后主流偏于左岸，下游沖坑深且偏于左岸，消能效果較差。優化方案消能效果好，主流歸槽，沖坑較淺，兩岸回流小，流態好，建議采用。②溢流堰敞開泄流能力能滿足設計要求，局部開啟泄流能力比設計計算值稍大。③當閘門敞開時，隨著下泄流量增大，堰前繞流而形成的橫向水位差越大。建議將左邊孔前開挖邊坡面與邊墩采用曲面連接，以改善左邊孔過流流態。④下泄設計及校核洪水，測壓管在堰面 3#、4# 及溢洪道側邊墻40# 點處出現較小的負壓值，但空化系數大于0.3 (水流空化數大于規范控制值0.30，認為不致于造成氣蝕破壞)，建議在施工時注意控制平整度;其余各點均為正壓，于混凝土面減免空化有利。⑤庫水位保持455.0 m水位，閘門均勻開啟為最佳工況;采用不同開度組合為允許工況;當閘門開度達 13 m時開始出現脫空現象，對閘門結構不利，為杜絕工況。⑥ 發電廠房尾水區域水位波動小，無淤積。

　　參 考 文 獻

　　[1] SL 155—2012，水工(常規)模型試驗規程[S].

　　[2] 水利水電科學研究院，南京水利科學研究院.水工模型試驗[M].北京：北京水利出版社，2008.

　　[3] 王波.新疆某水電站溢洪道水工模型試驗分析[J].水利科技與經濟，2015(7)：100-101.

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