新疆阿勒泰柯赛依水电站岸边溢洪道水工模型试验研究

屠兴刚,包中进

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 工程概况

柯赛依水电站首部枢纽位于支流塔斯特布拉克与支流拉斯特之间的苏木达依列克河中游,太达雷克木材检查站上游约6.1 km“S”型河段上;厂区枢纽位于太达雷克木材检查站下游6.1 km处,苏木达依列克河中下游右岸,引水线路横穿阿克代、阿斯勒马斯山。坝址及厂区距阿勒泰市约110 km。坝址以上流域面积2 087 km2,水库正常蓄水位1 170.0m,发电死水位1 155.0 m,电站装机容量100MW,水库总库容9 757万m3,工程等级为三级。

工程主要枢纽建筑物有拦河坝、泄水建筑物、放空建筑物、发电引水建筑物、发电厂房及升压站、支沟引水堰坝和引水隧洞等。工程平剖面见图1、2。

图1 工程平面布置图

溢洪道按照500 a一遇洪水设计,相应下泄流量776 m3/s;5 000 a一遇洪水校核,相应下泄流量828m3/s;消能工况按30 a一遇洪水控制,相应下泄流量583m3/s。

泄水建筑物为岸边开敞式溢洪道。溢洪道为岸坡式,位于右岸坝头,由进水渠、溢流堰段、泄槽、挑流鼻坎等组成。

泄洪闸为3孔正堰,每孔净宽7m,总净宽21m,采用WES实用堰,堰顶高程1 163m,设弧形钢闸门,基岩为弱风化岩。闸室上游进水渠底高程1 154m,C20F400混凝土衬砌,厚30 cm,与面板坝相邻的左侧设C25W4F400混凝土导墙,右侧设C25W 6F400混凝土边墙。闸室下游为泄槽,宽度为26m,总长度115m,底板采用C40F300钢筋混凝土衬砌,厚度50 cm,两侧为C25F300混凝土边墙。泄槽末端接挑流鼻坎,采用C30F300混凝土结构,反弧半径10 m,挑射角25°,挑鼻坎高程1 100m。挑流鼻坎边坡下游50 m范围采用C20F300混凝土护坦保护。

2 模型设计

模型设计按照SL l55—95《水工(常规)模型试验规程》要求进行。模型遵守重力相似准则,按正态模型设计。根据研究对象特点及研究目的和内容,经计算分析确定模型几何比尺Lr=50。

图2 原设计方案纵剖面图

上游水库模拟至坝前280m,下游河道模拟至下游坝趾后约400m。溢流堰、泄槽、挑流鼻坎、闸墩等主要部位用有机玻璃精制,上游库区及下游河道均严格按设计提供的图纸控制放样,采用断面板法,水泥砂浆抹面制作。为了了解泄槽的压力分布情况,在泄槽中心线上布置了1排共11只测压孔。

3 试验成果

3.1 原设计方案

3.1.1 泄流能力

试验测试了闸门3孔全开时各级库水位的下泄流量,水位流量关系测试成果拟合公式如下:

式中:Q为下泄流量(m3/s);H为堰上水头,H=Z-1 163(m);Z为库水位(m)。

各特征工况泄流能力见表1。由表1可知,在设计和校核工况下,实测泄流量比设计分别大7.5%、8.0%,泄流能力能满足设计要求。

表1 特征工况泄流能力比较表

3.1.2 进口流态

该工程引水渠较长 (200 m以上),引水渠底板高程设计为1 154.0m,现状山坡地形高程约1 180.0～1 120.0m;并且平面布置上与溢流堰轴线存在较大的角度。引水渠右侧为高边坡,边坡系数0.5;为保护大坝上游面不被水流冲刷,左侧设导水墙,长度约95m。

照片1 原方案墩尾水翅形态

在各特征工况下运行时,上游进水渠流态均非常平顺。主要是因为引水渠水深较大,堰顶高达9m。按照设计运行要求控制最低水位1 170.0m时引水渠水深达到了16.0m。

试验表明,左侧导水墙头部水流绕流现象不明显;校核工况时导墙头部内外侧水位差为0.15 m;导墙内外侧水位差最大0.6m,发生在导墙与闸墩连接处。

水流出闸后,在泄槽内形成急流,并在闸墩墩尾形成明显水翅,原方案设计工况时水翅长约30m,高约5.5m,对泄槽影响较大(见照片1)。

3.2 推荐方案

3.2.1 工程布置

根据原方案试验,得出模型泄流能力有一定富裕、导墙长度过长等情况,因此试验对引水渠布置进行了多组方案的修改。修改的目的是:①优化引水渠导墙布置;②减少开挖量;③改善闸墩后的水翅。

最后推荐方案的引水渠布置为:①溢洪道中心线以拦河坝坝轴线右岸控制点为中心,向河道下游旋转5.929°;②引水渠底高程由1 154 m抬高至1 159m;③左侧导墙由原方案的95m缩短至63.5 m,顶高程不变;④中墩墩尾延长一段,增设桩号溢0+010.00 m到溢0+013.50m段等宽2.5m、高度1.5～0.8m的尾墩。

3.2.2 泄流能力

经修改后,试验测试了闸门3孔全开时各级库水位的下泄流量,水位流量关系测试成果拟合公式如下:

Q=9.832 9H2+49.148H-30.693

各特征工况泄流能力见表1。由表1可知,在设计和校核工况下,实测泄流量比设计分别大5.1%、5.7%,泄流能力仍能满足设计要求。

3.2.3 进口流态

在各特征工况运行时,上游进水渠流态均较平顺。主要是由于引水渠长度较长、渠底高度较低,距堰顶高程还有4m。引水渠内流速分布较均匀。按照设计运行要求控制最低水位1 170m,此时引水渠内水深约11m。由于引水渠水深较大、流速小,左导水墙头部水流绕流现象不明显,校核工况时,导墙头部内外侧水位差0.30m。

水流出闸后,在泄槽段内均为急流,并在闸墩墩尾形成水翅,设计工况时水翅长约20m,高约2.5m;比原方案时的水翅(长约30m,高约5.5m)有明显改善,可以较好地减少水翅对泄槽的破坏(见照片2)。

照片2 推荐方案尾墩水翅形态

3.2.4 试验结果

通过模型试验得到以下试验成果:

(1)推荐方案引水渠开挖工程量大大 减少。由于左侧高边坡开挖以及底板开挖工程量大,高边坡开挖以及开挖后防护施工难度高,在满足泄流能力的前提下,适当抬高底板高程5.0m,右侧边界往左侧移动。推荐方案可以节省开挖量约6.8万m3。

(2)优化了引水渠导墙布置。原设计方案由于引水渠内水深较大,流速较小,所以导墙头部绕流现象不明显,设计的导墙长度95m偏长;推荐方案导墙缩短到63.5m时引水渠内流态仍较好。

(3)优化了闸墩墩尾布置。推荐方案在中墩墩尾延长一段,桩号溢0+010.00 m到溢0+013.50m段增设宽2.5 m、高度1.5～0.8m的尾墩,使得水翅现象比原设计方案明显改善,水翅长约20m,高约2.5m(原方案长约30m,高约5.5m)。

4 结 语

新疆阿勒泰柯赛依水电站溢洪道引水渠长度较长、水深较深,左侧高边坡开挖以及底板开挖工程量大,高边坡开挖以及开挖后防护施工难度高。通过模型试验,对工程泄流能力及引水渠流态、导墙长度、闸墩墩尾水翅等进行了研究,验证和优化了设计,为工程决策提供了科学依据。试验成果对类似工程具有一定的参考应用价值。

[1].南京水利科学研究院.SL 155—95水工 (常规)模型试验规程[S]..北京:中国水利水电出版社,1995.

[2].屠兴刚,徐岗,包中进.新疆阿勒泰柯赛依水电站溢洪道水工模型试验研究报告[R]..杭州:浙江省水利河口研究院,2011.

[3].李红英,李文圻,冯家和.观音岩水电站岸边溢洪道挑流消能方案试验研究[J]..泄水工程与高速水流,2006(上):94-97.

[4].何晓敏,包中进,屠兴刚.四川省仙女堡水利枢纽工程水工模型试验研究 [J]..浙江水利科技,2006(2):15-17.