某水电站表孔溢洪洞水力特性模型试验研究

张 勇，唐聪聪，高东红

（1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000；2.大连理工大学建工学部水利工程学院，辽宁大连116024）

某水电站表孔溢洪洞水力特性模型试验研究

张 勇1，唐聪聪2，高东红2

（1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000；2.大连理工大学建工学部水利工程学院，辽宁大连116024）

通过1∶40的整体水工模型试验，对某水电站表孔溢洪洞的泄流能力进行验证。通过观测分析各工况下表孔溢洪洞进口控制段流态、水深、流速，得出水位～流量关系曲线以及水位～流量系数关系曲线。根据试验结果，对原设计方案进行优化设计并提出合理化建议，消除了泄流过程中的不利流态，使泄流能力达到设计要求。

模型试验；表孔溢洪洞；泄流能力；关系曲线

1 工程概况

某水电站属大（2）型Ⅱ等工程，其主要任务是发电。水库正常蓄水位752m，总库容2.32亿m3，调节库容1.43亿m3，装机160MW，电站保证出力19.22MW，年平均发电量5.24亿kW·h。

电站工程由拦河大坝、泄洪、引水建筑物及地面厂房等主要建筑物组成。大坝为混凝土面板堆石坝，拦河坝为1级建筑物，溢洪洞、深孔溢洪洞为2级建筑物，发电洞及电站厂房为3级建筑物。

表孔溢洪洞布置在右岸，设计泄量776.41m3/s，校核泄量1080.33m3/s，全长约327m。表孔溢洪洞由进口引渠段、控制段、洞身段、泄槽段、出口消能段组成，见图1。其中各段组成为:原设计引水渠段底板高程为739m，断面型式为梯形，底宽14m，边坡1∶0.5。控制段采用WE S实用堰型，上游堰高p1=5.0m，堰顶高程741m，堰宽11m，中圆弧半径R1=1.96m，上、下游圆弧半径R3、R1分别为0.392m、4.9m，溢流堰面曲线方程为y=0.071850x1.85，堰后由1∶1的陡坡与洞身反弧段连接。洞身段全长328m，包括进口渐变段、反弧段、洞身段。渐变段长15.0m，由11.0m× 10.0m的矩形断面渐变成8.0m×10.0m的城门洞型断面，圆拱中心角为120°。泄槽及出口消能段包括挑流鼻坎段和下游护坦段。挑流鼻坎长29m，反弧半径为40m，反弧角度为39.063°，反弧分为3段，第一段角度为11.840°，第二段角度为11.167°，第三段角度为16.056°［1］。

图1 溢洪洞布置及测量断面图

2 模型设计及试验方案

2.1 模型设计及试验工况

根据试验任务和试验大厅的场地条件，该水电站整体水工模型试验按弗劳德重力相似准则，并考虑阻力相似，采用整体正态模型，模型比尺为1∶40，建筑物引水渠段为P V C板制作，闸门、控制段、洞身段采用有机玻璃制作。模型设计中相关物理量见表1，特征工况下的水位、流量见表2。水工整体模型模拟范围取引水渠段130m，直接与水库相接。下游河道为定床，用水泥砂浆抹面，作为水位流量控制河段。其余建筑物采用有机玻璃制作，已达到建筑物糙率相似，光滑整洁，并且便于观察水流特性。溢洪洞的控制段、渐变段、洞身段及出口泄漕段的底板均安有测压孔，用以测量压强分布规律。

表1 重力相似条件下各水力参数

表2 溢洪洞试验工况组合

2.2 试验内容

试验内容主要包括:观测分析各工况表孔溢洪洞进口控制段流态、水深、流速，验证过流能力及流量系数；绘制控制段“水位～流量”、“水位～流量系数”关系曲线等；绘制控制段沿线各工况的水深、流速等；根据试验结果对溢洪洞提出优化方案。

3 原设计方案试验成果

本次试验共进行了库水位743.788～754.828m范围内7组不同的水位工况。

3.1 泄流能力

在不同的库水位情况下，模型试验得出的溢洪洞的泄流量为95.702m3/s～1062.52m3/s，泄流能力曲线如图2所示。由图中可以看出在模型试验流量小于计算流量，随着水位的升高流量相对差值越大，流量相对差值最大为-3.3%，泄流能力太小，达不到工程设计标准。

图2 库水位～流量关系曲线

3.2 流量系数

溢洪洞控制段采用WE S溢流堰，堰宽11m，根据《水力学》中提出的流量系数计算公式如下［2］:

其中Q—溢洪洞过流量；c—上游堰面坡度影响系数；ε、σs—分别为侧收缩系数和下游淹没系数；H0—堰前总水头，取H0=H；m—流量系数。

对于（1）式，溢洪洞内有渐变段的存在，且洞身段较复杂，上游堰面坡度影响系数、侧收缩系数和淹没系数不易确定，所以将综合起来考虑，得综合流量系数公式如下:

得水位～综合流量系数如图3所示

图3 水位～综合流量系数关系曲线

由图中可以看出:随着库水位的升高，实测综合流量系数呈现出先增大后减小的趋势，与标准WE S剖面型实用堰的流量系数变化规律有所不同。

3.3 流态及水面线

由于堰高较小，引水渠内水流流速较大，水流出现震荡，在引水渠护坦与溢洪洞进口控制段连接处水流流态不均匀，出现漩涡，渐变段处水流交汇，水位波动较明显，洞身内水流流态较平稳。

因泄流能力较设计值小，控制段内水面线低于设计水面线。

3.4 流速、时均脉动压力

在设计水位工况下，实测表孔溢洪洞内流速分布在10.65m/s～26.51m/s。洞身沿程流速逐渐增大。

在整体水工模型中，WE S溢流堰至反弧段末端共设置13个压强测点，泄槽内设置6个测点，从压力分布图上看，当水位高于设计水位752m，桩号0+000.000～0+008.000内开始出现负压，最小负压出现在桩号0+004.000处，为-1.602m水柱，负压的绝对值较小，满足规范要求［3］。

4 修改试验方案

由试验结果得出:在原设计方案下溢洪洞泄流能力不满足设计标准，引水渠内水流流速较大，水位波动较大，在高水位下，会溢出边墙，在溢洪洞进口连接处水流出现漩涡，水流流态不平稳，过流效果不理想。

表孔溢洪洞在设计水位752.00m和校核水位754.71m时的试验实测下泄流量分别为760.494m3/s和1048.746m3/s；设计要求的下泄流量分别为776.41m3/s和1080.33m3/s，试验泄流能力偏小。为了使表孔溢洪洞的泄流能力满足设计要求，建议引水渠底部高程降低3.0m，即引水渠底部高程由原设计高程739.00m降低为736.00m，边坡保持不变，实验内容保持不变［4-6］。

4.1 泄流能力

引水渠底板高程降低后，溢洪洞的过流能力明显加大，随着库水位的升高，实测流量值比相应水位下的计算值增大，流量相对差值最大为5.2%，满足设计要求。修改前后的水位～流量关系见图4。

图4 修改前后的水位～流量关系曲线

4.2 流量系数

流量系数的变化趋势与原设计方案基本相同，也是呈现出先增大后减小的趋势。在小流量情况下，修改前后的流量系数基本相同，随着库水位的升高，溢洪洞的过流能力明显增大，相应的流量系数也随之增大。修改前、后的水位～综合流量系数如图5所示。

图5 修改前后水位～综合流量系数关系曲线

4.3 流态及水面线

引水渠底板高程降低后，引水渠内水深加大，流速减小，渠内水流震荡幅度大大减小，基本趋于平稳状态。护坦与进口控制段连接处，水流过渡比较平顺，漩涡消失。洞身内水流流态也较为平稳。

修改方案后，实测流量都略大于计算值，满足设计要求，因此，在设计水位工况下，水面线与设计水面线吻合较好。洞身和泄槽边墙高度均有一定安全余幅。

4.4 流速、时均脉动压力

修改后，在设计水位下，溢洪洞内沿程流速分布范围10.21m/s～27.24m/s。流速变化幅度不大。在试验工程中，从时均脉动压力分布图上看:方案修改前后压强变化趋势基本相同。

修改方案后，当库水位高于设计水位752m时，才开始出现负压，负压范围为桩号0-001.562～0+ 008.000，最小负压出现在桩号0+002.000，最小值为-1.698m水柱，究其原因，由于过流量增大，溢流堰流速增大，此处真空度绝对值增大，所以负压就更小。但仍满足规范要求。

5 结论及建议

本文通过对某水电站表孔溢洪洞进行整体水工模型试验，对其过流能力进行校核，并在此基础上对设计提出优化方案，其结论及建议如下:

（1）通过试验得出在原方案设计情况下，溢洪洞的过流能力不足，不能满足设计要求，且引水渠内水位波动较大，使水流不能平稳地过渡到溢洪洞内，通过方案的修改，溢洪洞实测泄流量都略大于计算值，完全满足设计要求，此时，水流流态也得到大大改善，故建议采用此修改方案施工。

（2）试验得出的水位～流量关系曲线，水位～综合流量系数关系曲线，与以往工程经验值的变化规律相吻合，且与计算值相近，具有一定的可信度。

（3）修改方案后，试验观测了校核水位、设计水位及正常水位的水面线，与设计水面线吻合较好，结果洞身和泄槽边墙高度均有一定安全余幅。《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）规定，高流速无压隧洞掺气水面线以上空间宜为隧洞断面面积的15～25%。在校核水位下，高流速无压隧洞掺气水面线以上空间最小面积余幅分别为29.14%，满足规范要求。

（4）高于设计水位752m后，溢流堰段出现负压，但绝对值不是很大，满足规范要求，通过试验，在反弧段末端至泄漕段水流流速会超过30m/s，建议根据一定情况在挑流消能段处设置掺气减蚀措施。

［1］刘亚坤，倪汉根.新疆吉勒布拉克水电站表孔溢洪洞水工模型试验初步报告［R］.大连:大连理工大学，2014.

［2］刘亚坤.水力学［M］.北京:中国水利水电出版社，2008:96-97，230-235.

［3］SL279-2002.水工隧洞设计规范［S］.

［4］张明义，陈晓梅.温泉水电站表孔溢洪道水工模型试验研究［R］.西安:水力学与水利信息学进展，2009.

［5］牛文娟.某水利枢纽工程表孔溢洪道模型试验设计研究［J］.水利科技与经济，2012（09）.

［6］葛旭峰，鲁克恩.小石峡水电站表孔溢洪道模型试验研究［J］.南水北调与水运科技，2010（05）.

TV135

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1672-2469（2015）10-0061-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.18

张 勇（1968年—），男，高级工程师。