刘家沟水电站水工模型试验研究

颜雪丽，杨胜发，孙连超

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆400074;2.重庆交通大学 交通运输学院，重庆400074)

刘家沟水电站在小溪河中游的刘家沟河段上，位于重庆市巫溪县境内。该工程主要以发电为主，挡水建筑物、泄洪建筑物，施工导流兼放空建筑物、引水建筑物以及厂区附属设施是水电站的主要的建筑物。其正常蓄水位为448.00 m［1］，对应的水库库容为1 820万m3，总库容达到1 924万m3，电站的装机容量为2万kW，属于Ⅲ等中型工程。为了使电站的整体设计得到优化，采用物理模型进行试验。

1 物理模型设计

模型的研究范围从刘家沟电站坝下游1 300 m到坝上游200 m，全长1.5 km，进口为坝址上游第一个弯道处，距坝轴线约200 m，为更好地模拟电站溢洪道进口水流形态，对上游坝体和溢洪道进口处局部地形按照提供的设计方案进行制作。

根据模型试验［2］范围、试验研究目的、场地要求、相似性原理所要求的水流流态、表面张力等条件，采用平面比尺和垂直比尺相等的正态模型。根据河工模型制作的要求，必须满足基本的相似条件。表1列出了满足几何相似、重力相似以及阻力相似等相似条件的模型比尺［3］。

表1 模型比尺Tab.1 Model scale

2 原设计方案模型

刘家沟水电站工程主要建筑物有挡水建筑物、泄洪建筑物、施工导流兼放空建筑物、引水建筑物和厂区建筑物等，原溢洪道设计方案为正堰开敞式溢洪道，由进水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及出水渠组成。工程平面布置见图1。

2.1 原进水渠导墙体型及其试验情况

为了与控制段左边墩进行连接，在进水渠左侧边坡上修建直立的挡墙，并依照岸坡地形在最前端和最末端两段采用直导墙，中间段则采用圆弧型的转弯导墙。

在观测试验时发现，从左侧上游来的水流在左侧导墙的导流作用流速不断增大，基本紧贴导墙壁面流动，并且与溢洪道控制段水流衔接比较顺畅。但在导墙右侧，由于水流经过导墙端头时流速骤增，使得水流在离心力的作用下偏离导墙，并且在右侧导墙端头内侧形成一个水面跌落，其范围较大，凹面的弯曲程度较深。在进水渠下游右侧出现涡流，水流紊动强度较大，且距离闸门控制段比较近，严重影响了右孔的过流能力。

图1 工程平面布置Fig.1 Project layout

2.2 原溢洪道消能形式及其试验情况

采用原设计方案中连续式挑流鼻坎形式的溢洪道泄流消能［4］形式存在下游河床中水流流速较大，河道冲刷较为严重，对右岸松散崩滑体稳定和下游岸边建筑物设施的安全构成威胁等问题。

2.3 原设计方案小结

由试验结果分析，原设计方案在洪水泄流能力和溢洪道体型设计方面，当试验实测流量为586.87 m3/s，实测库水位为 448.26 m，流量系数为0.451 8，溢洪道进口处水流流态较为紊乱，有大范围的回流漩滚区，进而影响泄洪闸泄流能力;在消能及岸坡冲刷方面，存在溢洪道下游河床中水流流速较大，下游河道冲刷比较严重，影响河岸稳定，同时溢洪道下泄高速水流对右岸松散崩滑体稳定也构成较大威胁。

综上所述，原设计方案在溢洪道体型设计方面存在问题导致其在洪水泄洪能力方面不能满足工程要求，需要改进，并且由于溢洪道消能形式不合适而影响岸坡的稳定性，必须进行优化改进。

3 推荐方案模型试验

水电站方案的优化改进主要从溢洪道进水渠导墙体型优化和溢洪道消能形式优化两方面进行。溢洪道进水渠进口导墙体型优化设计的思路是在不改变左侧导墙体型的情况下寻求比较合适的右侧导墙结构形式，使得水流在进入水渠之后流态比较稳定。溢洪道泄流消能形式优化的思路是在保证右岸松散崩滑体稳定和下游岸边建筑物设施的安全的前提下，寻找减小下游河床中水流流速，进而减弱河道冲刷的最佳消能形式。

3.1 推荐方案布置形式

在两孔闸门泄流设计方案的基础上，溢洪道进水渠右导水墙体型采用两圆弧+直线段结构形式［5］，闸门控制段和溢洪道泄槽收缩段向下游平移3 m，优化桩号溢0+060.30 m以下的溢洪道泄槽段体型，并采用泄槽出口平台设T型墩［6］+岸坡分散水流 +平台挑射出流的联合消能结构布置方式得到推荐方案。

3.2 推荐方案进水渠导墙体型及试验效果

分析原因知，由于原方案进水渠过水断面水流条件不一致，致使流速变化较大，流态不稳定，并随着溢洪道泄流量的增大，水流收缩越严重，引起的水面跌落也越大，在右导墙两侧存在较大的水位差。为了改善进水渠水流流态，并在增大泄洪量时消除水面收缩和跌落现象，需要针对进水渠进口导墙设计进行优化。优化设计的思路是在不改动左侧导墙体型的情况下寻求比较合适的右侧导墙结构形式，使得水流在进入水渠之后流态比较稳定。经过试验，发现当采用两段圆弧加上直线调整段的导墙体型方案时水流沿右侧圆弧导墙较为平顺地进入进水渠，水流流态也较好，没有出现旋滚回流等现象［7］，且进口右导墙两侧的水位差较小，在设计流量下其水位差仅为1.65 m，较原设计方案降低了20.5 cm，基本上达到了减小导墙两侧水位差的目的。此方案的导墙体型具体结构尺寸见表2。

表2 进水渠右导墙(两段圆弧+直线段)体型结构尺寸Tab.2 Structural dimension of the right guide wall of the head race(two arcs+straight line)

从图2中可以看出导墙进口处没有出现水面紊动、漩滚等恶劣流态现象，且右侧导墙进口侧向收缩紊动回水区范围明显减小，说明此方案已经有效的改善了溢洪道进水渠的水流流态。

图2 推荐方案溢洪道进水渠水流流态(设计下泄洪水Q=586 m3/s)Fig.2 Flow regime of the head race of the spillway recommend(Design discharge flow Q=586 m3/s)

试验分析了此试验方案的泄洪能力，当溢洪道两孔泄洪闸全开敞泄，试验工况为设计洪水，闸门下泄流量Q=586 m3/s时，坝前库水位约为448.07 m;试验工况为校核洪水，闸门下泄流量Q=694 m3/s时，坝前库水位约为448.91 m，而设计坝顶高程为450.00 m，校核洪水下泄流量时坝前水位低于坝顶高程1.09 m，大于0.5 m的校核洪水安全超高值，所以在校核洪水及以下流量时，电站均能安全泄洪，故推荐方案泄洪能力满足工程要求。

3.3 推荐方案溢洪道消能形式及试验效果

针对消能过程中存在的这些问题，推荐方案采用泄槽出口平台设T型墩 +岸坡分散水流 +平台挑射出流的联合消能结构布置方式来达到消能的效果。从推荐方案的试验消能效果来看(图3)，由于泄槽段出口平台出口处宽度增加，溢洪道下泄水流的过水断面宽度增加，水流单宽流量减小，从而影响下泄水流对河床的冲刷深度。另外，过水平台出口设置的T型墩使得流量沿出口断面分配较为均匀，同时也起到减缓水流流速的作用。试验观测发现，水流沿平整岸坡下泄，岸坡表面水流平滑稳定，水流下泄较为顺畅，无明显水流波动，加之岸坡段与公路平台段采用光滑弧面相衔接，水流对平台的冲击力减小。水流沿公路平台挑射而出，跌落至河床中间。

图3 溢洪道消能推荐方案平面图Fig.3 Recommended scheme plan of spillway energy dissipation

图4显示了推荐方案在施放设计洪水时的试验消能效果。从图5中标示的下游河道冲刷紊动消能区域［8］可以看出，水流冲刷带位于河床中部至右岸岸坡前端［9］，水流沿河道纵向展开落入河床，下游落入河床位置较靠近左岸岸坡，水舌呈圆弧形。河床冲刷地带地质条件较为稳定，较好地适应了山区河道狭窄的地形条件和复杂的地质条件。

经冲坑水垫充分消能后，冲坑溢出水流集中流向下游，流速逐渐减缓，并能很好地与下游河道水流相衔接，说明了推荐方案的消能效果较为理想，较好地解决了本工程所在下游河床较为狭窄且右岸岸坡存在大型崩滑体的技术难题。

4 结论

1)推荐方案在Q=694 m3/s的校核洪水流量下，坝前水位为448.91 m，坝顶设计高程为450.00 m，坝前水位比坝顶设计高程低1.09 m，大于校核洪水的安全超高值(校核洪水安全超高值为0.5 m)。这说明在小于等于校核洪水流量时该电站泄洪均处于安全状态。

2)溢洪道进水渠导水墙体型采用两圆弧 +直线段的结构形式，使水流较为平顺地流入进水渠，降低右导水墙内外侧水面落差，改善了进水渠内水面流态，同时增强了溢洪道的泄流能力。

3)溢洪道泄槽段经过体型优化，泄槽内水位变化稳定，改善了泄槽内急流冲击边墙的现象，水面流态较好。

4)溢洪道推荐消能方式效果良好，形成的局部冲刷坑深度不大，冲坑溢出堆积物面积不大，没有造成下游河道的冲刷，水流多余能量消散较为完善，说明该消能方案符合工程要求。

5)虽然溢洪道推荐方案具有良好的消能效果，但是此消能形式对消能结构稳定性以及抗冲刷能力要求比较高。建议施工时充分考虑水流对结构的破坏作用，采用有效的工程措施保证消能构造物的稳定和抗冲刷能力。

6)虽然推荐的溢洪道消能方式效果良好，但是也对消能结构的结构稳定性和抗冲刷能力提出了较高的要求。建议施工时充分考虑水流对结构的破坏作用，采用有效的工程措施保证消能构造物的稳定和抗冲刷能力。

7)由于工程位置右岸崩滑体坡度较缓，高程较低，当下泄流量较大时为避免水流表面冲刷右岸较为破碎的覆盖层，需要对右岸较为不稳定的崩滑体加以防护处理，保证工程安全正常运行。

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