五道库水电站溢流坝模型试验成果分析与优化设计

王爱华，李 俊

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 工程概况

五道库水电站坝址位于汤旺河支流五道库河中游，伊春市美溪区东北约20 km处，五道库河是汤旺河左岸一级支流，发源于伊春市境内的小兴安岭南麓的小白山南侧，因从五道库沟流出，故名“五道库河”，自东北流向西南，在五道库经营所驻地以东接纳桦皮羌子河后，折向南，在美溪区附近注入汤旺河。流域总面积1 773 km2。河道长80 km，总落差685 m，水能理论蕴藏量为26.56 MW。较大支流为右岸的桦皮羌子河及左岸的卧龙河，流域面积分别为470 km2和350 km2［1］。

五道库水库总库容为9655 ×104m3，为中型水利枢纽工程，工程属于Ⅲ等工程，主要建筑物拦河坝、溢流坝及坝式进水口为3 级建筑物，电站装机6.0MW，电站厂房为坝后式，电站厂房及次要建筑物为5 级建筑物。水库采用100a 一遇(P =1%)洪水设计，1 000 a一遇(P =0.1%)洪水校核，溢流坝消能防冲按30a 一遇洪水设计。

五道库水电站拦河坝采用碾压混凝土重力坝，坝顶全长477.50 m，最大坝高48.20 m，溢流坝段布置在河床中部靠近主河槽右岸，溢流坝堰面采用WES 实用堰，下游采用挑流消能，溢流坝堰面及基础采用常态混凝土，坝体内部为碾压混凝土。

2 溢流坝模型试验与优化设计

2.1 溢流坝初步设计方案及模型试验的提出

五道库水电站初步设计阶段初步拟定溢流坝段布置在河床中部靠近主河槽右岸，溢流坝分两孔，单孔净宽8 m，堰顶高程为293.00 m，中、边墩厚均2.5 m，溢流坝总宽度为23.50 m。工作门采用弧形钢闸门，弧门上游2 m处设检修钢闸门。

溢流坝堰顶高程为293.00 m，采用WES 实用堰，直线连接坡比为1:0.75，反弧段半径为11 m。下游采用挑流消能，挑流鼻坎高程为266.30，挑角为20°。

理论设计计算泄流能力、下游消能挑距等均满足要求，但实际运行时不同上游水位情况下的溢流坝泄流能力、水流流态、过堰水面线、堰面压力分布以及各级流量下挑流鼻坎的布置、高程、位置合理性，理论计算很难确定，需要结合水工模型试验加以验证并进行优化设计。

2.2 溢流坝初步设计方案的模型试验结论与分析

1)根据水工模型试验，经计算闸门全开时平均综合流量系数M 为0.462 ＞0.456(设计采用)，校核洪水位303.39 m时，下泄流量为1 090 m3/s，超泄洪水29 m3/s，泄流能力满足要求［2］。

2)闸门全开时过堰水流为堰流，溢流孔左、右两边墩进口有严重绕流现象，边墩内、外水面高差很大，达到1.5 ～2.0 m，形成很大的绕流漩涡。当过堰水流为孔流时，闸门前水面不平稳，波动较大。

3)各工况下溢流坝面最大压力发生在溢流坝面的反弧段区域，最大时均压力为181.70 kPa。各工况下堰顶闸门槽下游附近区域出现负压，测得的负压最小值为－22.37 kPa。

4)各工况下的实测冲刷坑上游坡度T/L 值均在1∶3.0 ～1∶6.0。

5)实测起挑流量为52.02 m3/s，相应的上游库水位294.32 m，终挑流量为42.35 m3/s，相应的上游库水位294.15 m，当流量小于起挑流量时，会形成贴壁水流，对鼻坎基础稳定不利。

6)从水舌形态上看，水舌出射角度偏小，挑射高度偏低。

根据水工模型试验结果分析，造成左、右两边墩进口严重绕流现象及进口处形成很大的漩涡的原因为上游进口边墩及中墩形状为非流线型，影响水流形态。

产生堰面负压是由于下游直线段坡比小的原因造成的，可适当加大坡比，同时需调整反弧段半径、挑角及鼻坎高程以使水舌出射角度及挑射高度更合理。

2.3 溢流坝优化设计方案

依据水工模型试验，对原方案进行优化设计，溢流坝堰面直线连接坡比由1∶0.75调整为1∶0.8，反弧段半径由11 m调整为12 m。下游挑流鼻坎高程由266.30 调整为267.50，挑角由20°调整为25°。同时将上游进口边墩墩面形状由原来非流线型表面改为流线型墩面［3］。

2.4 溢流坝优化设计方案模型试验结论

计算优化方案闸门全开时平均综合流量系数M为0.458，大于设计采用的0.456，泄流能力满足要求。校核洪水位303.39 m 时，下泄流量为1 085 m3/s，超泄洪水24 m3/s。

闸门全开时水流在两边墩墩头，未出现明显的绕流漩涡，此处的水流流态较原设计方案有了明显改善。

优化方案各工况下溢流坝面最大压力发生在溢流坝面的反弧段区域，最大时均压力为151.49 kPa。负压最大值为－12.87 kPa，负压值＜0.06 MPa，符合规范规定，同时最大压力机负压最大值明显减小。

从水舌形态上看，水舌的出射角度、挑射高度均较理想。优化方案各工况下的冲坑呈长勺状，校核工况时出现最深冲坑，底高程为243.90 m，距离挑流鼻坎85.0 m。

实测起挑流量为74.60 m3/s，终挑流量为59.71 m3/s。

通过实测数据对比分析得到以下结论:

1)优化方案与原设计方案相比，优化方案左、右边墩墩头两侧的绕流漩涡消失，进口水流流态得到明显改善;挑射水舌的内缘挑距和挑射高度都明显增大，水舌形态更好。

2)泄流能力满足设计要求。

3)优化方案与原设计方案相比，优化方案鼻坎处的流速略有增加，对提高内缘挑距和挑射高度是有利的。

4)优化方案与原设计方案相比，优化方案坝面时均压力的负压范围明显变小，同时负压值也明显变小，这对避免溢流坝面混凝土气蚀破坏是有利的。

5)冲刷试验选用的抗冲流速较小，可以认为局部冲刷试验结果偏于安全;各试验工况下，优化方案的T/L 值在1∶5.63 ～1∶5.27，在规范规定的1∶3.0 ～1∶6.0的允许范围之内，满足要求。

3 结论与思考

五道库水电站溢流坝设计经理论设计→水工模型试验验证→分析研究→优化设计→水工模型试验验证一系列逐步优化的过程。对理论设计中无法确定的问题经模型试验去验证，也为今后相关的设计提供参考依据。五道库优化设计过程也证明了对大中型工程的设计进行相关的水工模型试验是非常有必要的。五道库水电站溢流坝优化设计过程也表明，理论计算中的挑距计算满足要求，但理论计算无法准确计算出内缘挑距，因此适当增大挑角及鼻坎高程对提高内缘挑距和挑射高度是有利的。在过堰流量低于起挑流量和终挑流量时会形成贴壁流，对鼻坎稳定不利，设计者应加强对鼻坎基础防护。

［1］黑龙江省水利水电勘测设计研究院. 伊春美溪区五道库水电站工程初步设计报告［R］. 哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2013.

［2］水利部天津水利水电勘测设计研究院SL253—2000 溢洪道设计规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，2000.

［3］常云华，李宗伟，黄树友. 上沟水利枢纽溢流坝水工模型试验研究［J］. 长春工程学院学报:自然科学版，2009，10(02):31－34.