某水电站泄水陡坡体型优化模型试验研究

尹舒倩，王世兴，赵 涛，邱秀云，拜亚茹

（新疆农业大学 水利与工程学院，新疆 乌鲁木齐830052）

1 工程概述

某水电站为梯级开发中的第3级引水式电站，发电引水流量110.8m3/s，前池正常水位1 806.418m，前池最高水位1 807.718m，结构主要由前室、进水室、泄水闸及泄水陡坡等建筑物组成，泄水陡坡布置于泄水闸后，主要由渐变段、缓坡段、陡槽段、消力池及尾部渠道段组成，除尾部渠道段采用梯形断面型式外，其余部位均采用矩形槽断面型式。泄水闸净宽10m，长15m。渐变段长30m，纵坡为i＝1/500，底宽由10m渐变至4m，墙高6.771m。缓坡段长114.358m，纵坡1/500，与陡槽之间采用渥曲方程相衔接，陡槽段全长335.23m，纵坡1/3.82，一级消力池后纵坡为1/3.295，底宽4m，共设两级消力池。

泄水陡坡是引水式电站的关键部位，因此其消能方式的选择对引水式电站的整体布局起着至关重要的作用[1]，国内类似工程中邱秀云等[2]在卡群一级水电站泄水陡坡中使用了悬栅式消能工，该电站引水渠的设计流量为60m3/s，加大流量为70m3/s，冬季最大流量为35m3/s，消能效果显著。其原理是通过布置悬栅，使水流内部结构发生改变，消耗大量的机械能，提高了消能率，稳定水流流态[3]。因此本文选择悬栅式消能工作为辅助消能工。

本水工模型试验是在初步设计方案基础上，根据基本资料和工程运用要求，通过水工模型试验验证泄水陡坡过流能力以及消能方案的合理性，在此基础上提出辅助消能措施以达到优化设计的目的。

2 模型设计与模型制作

2.1 模型设计

根据试验任务、供水以及场地等条件，本模型试验依据规范按重力相似准则设计。模型比尺需依据试验内容场地以及供水、模型类型选定。本模型属于单体模型，比尺不宜小于1∶80，故经过综合比选，本模型几何比尺选定为λL＝35，流量比尺λQ＝＝7 247.2，流速比尺λv＝λL0.5＝5.916，糙率比尺λn＝λL1/6＝1.809[4－6]。模型模拟范围自泄水闸上游150m，至下游最末一级消力池后300m尾水渠。模型布置如图1、图2所示。

图1 泄水陡坡剖面图

图2 泄水陡坡平面布置图

2.2 模型制作

模型由高水箱控制段、引渠段、前池段（包括泄水舌瓣闸门、闸后弯道段、溢流堰、堰后衔接段）、陡坡段（包括各段陡坡末端消力池）、尾水渠等部分组成。原型中的固体壁面均为混凝土材料，根据相似准则，选用有机玻璃制作模型。有机玻璃的糙率为0.0076～0.0086，换算成原型为0.014～0.016，与混凝土的糙率十分接近。

模型流量量测系统由上游量水堰和下游量水堰（均为薄壁堰）组成，来流量由上下游量水堰共同量测。经过率定，整个模型系统的上、下游流量误差不超过±5%。流速采用LGY－Ш型多功能智能流速仪测量；水位测量采用水准仪和钢板尺[7]。模型的放线精度及制作安装精度均符合水利部《河工动床模型试验规程》[8]（SL99－2012）及《水工（常规）模型试验规程》[9]（SL155－2012）的要求，整个试验过程也按照上述规范进行。

3 原设计方案试验成果及优化

3.1 原设计方案试验结果

原设计方案共有4种工况（见表1），分别对4种工况进行试验，试验结果如下。

表1 泄洪工况表

（1）工况1:当水位为1 806.418m时，泄水闸门全开，水流全部经泄水闸室流经弯道泄入陡坡。由试验可以观察到泄水闸流态为充分淹没的宽顶堰流，泄水闸过流能力为63m3/s（小于此水位下的计算设计流量64.4m3/s）。90°弯道段水面逐渐降低，流速逐渐增加，弯道段水面平稳，没有水跃发生。按照实测流量以及弯道尺寸可以计算得出此时临界水深为2.93m，对比试验数据可以得出弯道段为缓流流态。试验表明，在此工况下各级消力池均能满足泄流消能要求。说明消力池的体型能满足此种工况；各边墙高度均能满足运行需要，设计边墙高度与水深的最小差值发生在三级消力池末端:水深6.83 m，边墙高度8.5m，相差1.67m。最大流速发生在一级消力池上游陡槽末端，流速为23.4m/s。

（2）工况2:当水位为1 807.718m时（前池最高水位），泄水闸门全开，泄水闸与溢流堰均过流。由试验测得，此时堰闸过流能力合计为98.4m3/s（计算设计流量为118m3/s）。弯道及过堰水流流态平稳，90°弯道后半段以及堰后与陡坡之间的衔接段部位水流均跃出边墙，其余部位设计边墙高度基本满足要求。由试验可观测到，堰后衔接段为缓流流态，陡槽各级消力池长度均偏短，水跃消能不够充分。一、二级消力池边墙设计高度基本符合要求，但漩滚剧烈。第三级消力池深度不够，时有涌浪翻出池外。最大流速发生在二级消力池上游陡槽末端断面，流速为26.8m/s。

（3）工况3:当水位为1 807.718m时（前池最高水位），泄水闸门关闭，水流全部从溢流堰下泄。由试验观测到，此时堰后水位高于堰顶高程，为典型的淹没出流。此时曲线型堰的过流能力为76.9 m3/s（小于此水位下的计算校核流量98.9m3/s）。由于堰后水位高于堰顶，形成大淹没度的淹没出流。由此表明，堰后消力池是多余的。陡槽段各级消力池除第三级消力池中有涌浪翻出池外，其它消力池均能满足泄流消能要求。弯道及陡槽段各部位水深均低于边墙高度，边墙高度与水深之间的差值均大于0.7m。大流速发生在二级消力池上游陡槽末端，流速为26.4m/s。

（4）工况4:泄水陡坡流量110.8m3/s，泄水闸与溢流堰均过流。90°弯道以及曲线堰后各部位水深流态同工况3各级消力池长度均偏短，水跃消能不够充分，一、二级消力池边墙设计高度基本符合要求，但第三级消力池深度不够，水跃漩滚剧烈，涌浪时常翻出池外。最大流速发生在二级消力池上游陡槽末端断面，流速为27.2m/s。

3.2 原设计方案存在的问题

通过以上4种工况的试验结果分析，原设计方案存在以下几个问题:

（1）各工况下，试验实测流量均小于设计值。由此表明，原设计方案的泄洪能力不能满足泄洪要求。

（2）在工况3、工况4下，堰后衔接段及90°弯道的边墙高度不足。

（3）各工况下，堰后与陡坡之间的衔接段均呈现缓流流态，因此堰后没必要设置消力池；除设计水位外，第三级消力池中均有涌浪翻出池外，表明此时消力池边墙高度偏低。在校核水位闸门全开及泄水陡坡流量110.8m3/s情况下，各级消力池中水跃跃出池外，表明池长池深不足。

4 原设计方案的优化及成果

4.1 原设计方案的优化

4.1.1 泄水陡坡体型优化

对原设计方案的试验结果分析后发现，在工况1、工况2、工况3下，通过的流量均小于设计流量。究其原因主要是设计流量是按照堰在自由出流的情况下进行计算的，而试验结果却表明，各工况下堰的出流为淹没出流，从而导致泄水陡坡过流能力偏低。因此，本文在保持其它尺寸不变的情况下，将泄水闸门后的90°弯道段底坡由原来的1/500变陡至1/100。此外，由于原设计方案各工况堰后衔接段中的消力池起不到消力作用，所以直接将其改为坡度为1/20.93的斜坡，衔接段出口与陡坡相交处底部高程降至1 800.502m。优化前后堰后衔接段如图3、图4所示。

图3 原方案堰后衔接处

4.1.2 消力池体型优化

针对陡槽段各级消力池中水面波动大、流态恶劣的问题，本试验在消力池中设置了消能悬栅[10－15]，以增大效能率。悬栅的布置形式及尺寸如图5、图6所示。同时为降低池后渠中流速，避免渠道冲刷破坏，将第三级消力池池深由3.5m减少至2.65m，以此减小下游渠道底坡。

图4 优化后堰后衔接处

图5 一、二级消力池悬栅布置型式及尺寸

4.2 优化体型试验成果及分析

4.2.1 泄水陡坡体型优化试验结果

各工况下，对优化后的体型进行了试验，试验结果见表2。

表2 各工况下的泄流量

图6 第三级消力池悬栅布置型式及尺寸

试验结果表明，优化后各工况下泄水陡坡的泄流量均大于或接近于设计值。由此表明优化后的泄水陡坡体型是能够满足泄流能力要求的。

4.2.2 消力池加栅试验

试验中分别对不同栅条间距以及单层和双层栅条进行了试验。试验表明，在各级消力池中加设双层悬栅可以有效地平稳池内水流，改善消力池内水流流态，降低消力池末端流速。表3为工况2下消力池下游渠中的流速及水深对比表。由表3可见工况2情况下各级消力池在设置悬栅后流速降低，水深增大。

表3 工况2加栅前后典型断面流速水深对比表

5 结 论

本文在对某水电站泄水陡坡的水工模型进行了优化试验后，得出了以下结论:

（1）优化后泄水陡坡结构布置合理。

（2）各工况下舌瓣闸门和溢流堰的过流能力均能满足设计要求.

（3）在各级消力池中加设双层悬栅可有效地降低消力池末端流速，平顺池内水流。其中，在第三级消力池中设置的双层悬栅效果更为显著，有效地降低了其后尾水渠中的流速。

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