水电站导流明渠水力模型试验概述

杨靖

【摘要】水电工程在大江大河上进行截流，往往具有设计流量和单宽流量大、流速高等特点。为保证水电站建设期间的工程安全，需通过设计和制作水力模型，通过试验来分析水流流态、水面线、流速过流能力等，论证、复核或优化设计方案，为生产提供依据。

【关键词】水电站；导流明渠；理论分析；模型试验；优化设计；过流能力

0引言

在大江大河上进行截流，往往具有设计流量和单宽流量大、出口流速高等特点。在此工况下，为保证导流明渠的运行安全，导流明渠的体型与布置、消能与防冲设施、上下游围堰的结构等设计方案均需要通过水力模型进行试验，从而对设计方案的合理性进行验证或进行优化。

1 模型设计与制作

水力模型通常为正态模型，按照重力相似的准则设计。模型比尺多取40～70，几何比尺（λL）同模型比尺，流速比尺λv=λL0.5，流量比尺λQ=λL2.5，糙率比尺λn=λL1/6，时间比尺λt=λL0.5。

模型模拟包括上下游河道，建筑物模型可考虑灰塑板等材料制作，导流明渠衬砌段可考虑现浇的钢筋混凝土板。模型的糙率，河道平面尺寸、建筑物尺寸安装高程等精度应严格控制。试验供水通常采用蓄水池、水泵房、平水塔、供水管和同水槽等循环供水，供水系统通过阀门控制，上游进水部位设置平水设施和量水堰。

2 实验结果及其分析

水力模型的试验结果通常从如下几方面进行分析：

2.1水流流态

水流流态主要分析明渠进口、渠身段和出口段所呈现的不同变化特征。通过控制入流流量，观测不同流量情况下的水面波动、回流、泡漩、夹堰水等状况，结合地形特征分析所对应工况的水流是否平顺、存在的水流跌落是否合理、存在波浪的大小及成因、动静水分界线的变化等，对导流明渠的形态有全面的认识和掌握；同时也可分析水流经过导流明渠后的回归主河流的归槽情况，为导流明渠的体型尺寸、上下游围堰的结构、防冲效能设施的布置等设计或优化提供参考和依据。

2.2水面线

水面线可以通过在明渠底板上布置水位测点来观测明渠沿程水深的变化。。根据导流明渠纵横比降以及下泄流量的不同，同一断面不同侧的水位存在差值，而不同断面的水位也会产生明显的差异。根据水面线的变化，可以分析水面壅高或跌落的原因，为分析上下游河床围堰顶高程、下游建筑物的布置提供分析依据。

2.3流速

由于河床围堰、导流明渠形体尺寸和地形的变化特征，水流进入导流明渠后主流容易产生偏移，流速存在不同的分布规律。细致、准确地分析水流流速分布规律，对明确流态的变化、不同区域内或同一区域内表面或底部流速的变化可形成清楚的认识，为分析上下游河床围堰的表面防冲、导流明渠内部或尾部消能防冲等提供分析依据。

2.4过流能力

导流明渠的过流能力是其水力学设计的重要指标。在设计的过程中，除了考虑导流明确本身的体型尺寸、水流流态、流速外，还要考虑在明渠水位壅高变化情况下游河床建筑物的过流能力。工程中最为常见的是导流明渠与下游施工桥等的相互影响，通过论证流量～水位关系，论证导流明渠与下游施工桥设计的合理性。

3 对实际工程的指导意义

3.1设计方案的确定

导流明渠的消能防冲设施的种类及方案除了考虑地形、地质条件外，还需要根据水力学模型试验对方案进行确定。比如西藏某工程导流明渠原来考虑常规的“钢筋石笼+混凝土四面体+大块石”铺底防冲，但经过10余次模型试验后认为该方案不能满足导流明渠运行要求，结合地质条件调整为消力池消能方案，并确定最终的尺寸。

3.2设计方案复核和优化

上下游围堰及导流明渠往往通过工程经验、有关规范进行方案拟定，但由于不同地形、水流流量以及工程设计参数情况下的水流运行存在复杂性，所拟定的方案往往需要通过水力模型试验进行复核。比较常见的复核和优化的参数是上下游围堰的高程、坡比、建筑材料种类，导流明确的形体、宽度、坡比、平面布置等，上下游的防护设施高程、尺寸等。

3.3大大确保工程的安全

水电站的防洪度汛安全是工程建设周期中最基本、最重要的安全要求，而水利模型试验从根本上论证了工程方案在设计工况下的合理性，为工程的安全度汛提供了基本保障。

4 结语

水力模型试验现在已经比较成熟，但由于不同工况下水流的复杂性，每个工程具有自身的特性，很多工程需要经过模型试验来确定或优化设计方案或。本文通过对数个工程的水力模型试验进行总结、对比，希望找到能够直接用于生产实践的工作方法，从而更好地指导生产。

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