SUE 水电站工程设计方案评价及优化

王勤香，朱政德

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2.华中科技大学，湖北武汉430074）

SUE 水电站工程设计方案评价及优化

王勤香1，朱政德2

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2.华中科技大学，湖北武汉430074）

依据国际规范及合同要求，采用变态定床模型试验方法，对SUE水电站工程建筑物设计方案合理性进行评价。结果表明，SUE水电站建筑物体型尺寸设计合理，泄洪闸过流能力满足要求，上游翼墙及下游导流墙起到导流、平稳流态的作用，但设计洪水流量时泄洪闸下游消力池消能防冲效果欠佳；为此，根据下游水跃的特点，合理加长消力池长度，并在消力池水跃尾部合适位置设置消力墩对原设计方案进行优化；优化后PMF洪峰流量时，海漫水流平稳，海漫末端断面垂向流速分布趋于正常流速分布；设计流量时，海漫下游底部流速减小，下游河床不会发生冲刷。

水电站；设计方案；评价；优化；模型试验

SUE水电站位于苏丹南部SUE河上，SUE水库的主要任务是调节径流，为水库下游地区提供灌溉用水，并兼顾发电。拟定坝长3 748.5 m，正常蓄水位和PMF洪水位均为445 m。根据本工程的地形、地质条件等，建筑物主要包括左岸均质土坝坝段，左岸混凝土连接坝段，泄洪闸坝段，厂房坝段，右岸混凝土连接坝段和右岸均质土坝坝段。主河槽布置电站厂房和泄洪闸，两侧布置挡水大坝，闸址选在主河槽左岸的浅滩上。泄洪闸共设7孔，闸段总长83.00 m，每孔净宽11 m，设计洪水流量1 030 m3/s，PMF洪水泄量1 880 m3/s，选用WES实用堰，堰顶高程439.30 m。闸室基础坐于冲积层上，下游消力池设计池长40.00 m，池深2.1 m，消力池后接海漫，海漫下游为侵蚀冲积平原［1］。

1 原设计方案验证评价的主要内容

依据国际规范及合同要求，采用较为准确可靠的水工模型试验方法，对SUE水电站原设计方案进行以下几方面验证评价：

（1）验证评价PMF洪水445 m时泄水闸泄洪能力能否满足PMF洪水流量1 880 m3/s要求；

（2）观察上游进口翼墙流态，量测顺坝流速对大坝的影响，并对上游翼墙防冲及体型布置进行评价；

（3）验证评价坐于冲基层的泄洪闸的消能防冲措施；

（4）观察泄洪闸下游流态，评价电站尾水渠与消力池之间导流墙尺寸及体型布置。

2 模型设计

考虑模拟河道洪水，应满足重力（Fr）相似，且满足紊动阻力相似要求［2-3］；主要控制比尺为几何比尺、流量比尺、流速比尺、糙率比尺，其中：λu=

考虑研究内容、模型场地、供水设备及量测精度等因素，模拟河段长选取大坝上、下游分别为1.0 km、0.8 km，模拟河宽按照坝轴线长度取3.8 km。模拟河段铅垂尺寸远小于平面尺寸，模型平面比尺不能太小，而铅垂比尺不能太大，模型设计为变态定床模型，取变态率e=2。因变态率较小，平原河道变态模型对流速分布的影响不大。故模型水平比尺λl=100，铅垂比尺λl=50。模型平面布置见图1，图中标识的断面为测流速、水位断面［4］。

图1 模型平面布置图

3 设计方案模型试验评价分析

3.1 过流能力验证评价

模型试验研究主要内容为验证泄洪闸型式、尺寸设计是否满足过流能力要求，也就是说上游PMF洪水时泄洪闸能否达到1 880 m3/s过流能力。为此，在模型前池的进口处的供水管道上安装电磁流量计控制水库上游来流量，在闸前进口渐变流断面布设测针量测闸前水位，验证水位流量关系。根据验证水位流量关系与设计单位提供的Sue泄洪闸水位流量关系进行比较，量测的水位流量关系与推算的水位流量关系十分接近，模型设计制作准确合理；当上游水位445 m时泄洪闸敞泄流量为1 950.94 m3/s，此流量大于设计的PMF洪峰流量1 880 m3/s，且相对误差为3.78%，泄洪闸过流能力满足要求。

3.2 上游进口流态、流速试验分析

SUE水电站因坝长、坝前水深大，水库面积大，进口水流流态十分平稳，翼墙处基本无回流。圆弧形翼墙进流条件良好，能较好引导水流进闸泄流，WES堰起到很好的蓄水、平稳水头、加大过流能力作用。

通过泄洪闸前0-580断面观测流速，坝前流速平缓，进闸水流不会对上游翼墙产生冲刷，顺坝流速不大，除了PMF洪水（Q=1 880 m3/s）时坝坡中水面流速稍大于1.0 m/s，其他情况下各处的流速均小于1.0 m/s，应该不会对坝体造成冲刷。

3.3 泄洪闸下游流态及消能防冲效果分析

3.3.1 消力池及海漫流态描述

泄洪闸下泄小流量时消力池水跃稳定，基本无折冲水流，边孔回流不明显，消力池末无水拱，海漫水流平稳；当流量超过设计流量1 030 m3/s时消力池中形成淹没水跃，水跃翻滚强烈，左、右边孔受折冲水流影响水面回流明显，消力池表面翻涌区在消力池前段约13 m范围内，整个消力池末端水拱明显（见图2），池长不能满足要求，消力池消能效果欠佳，出池水流余能较大，海漫水流不平稳，导流墙导流、隔流效果不能满足要求［5］。

图2 闸门全开PMF洪峰流量时消力池流态

3.3.2 海漫及其下游消能防冲效果分析

泄洪闸下泄小流量时出池水流余能较小，主流基本居中，海漫水流平稳，海漫能较好地调整流速分布，垂向流速分布调整为正常流速分布，海漫末端底部流速最大为0.59 m/s，0-200断面垂向流速分布为正常流速分布，渠底最大流速为0.91 m/s；当流量超过1 030 m3/s时，主流居中，海漫水流不平稳，垂向流速分布还没调整到天然河道的水流状态，PMF洪水时海漫末端底部流速最大为1.79 m/s。0-200断面流速分布还不是典型的正常流速分布，PMF洪水时渠底最大流速为2.41 m/s，设计洪水时渠底最大流速为1.65 m/s，下游河床为中砾砂质河床，设计流量时下游河床将发生冲刷［6］。

3.4 电站尾水波动试验分析

SUE水电站尾水洞出口与泄水闸下游消力池之间布设了长61.2 m，高程为433.6 m导流墙。模型试验在额定发电流量情况下对堰流、闸孔出流各种工况的水电站尾水流态及尾水位变化进行了观测分析：泄洪闸泄流时，导流墙长度、高度能满足要求，电站尾水流态较平稳，尾水位变幅较小，泄洪时不会对电网稳定运行构成大的影响。

4 原设计方案优化分析

4.1 存在问题及优化措施

4.1.1 SUE水电站存在问题及下游水跃特点

原设计方案泄洪闸的过流能力满足要求，上游进口流态平顺进流均衡，上游顺坝流速较小、电站尾水波动不大，原方案设计整体比较合理。但稍不足的是当泄洪闸泄洪增大时消力池末水拱严重，消能效果不佳，设计流量时下游河床发生冲刷。

SUE水电站设计水头12.8 m，PMF洪水时跃前断面最大流速为14.86 m/s，水深7 m，弗劳德数为1.79小于4.5，为低水头低弗劳德数泄水建筑物。低弗劳德数水跃消能的显著特点是来流的泄水功率高而水跃消能率低，弗劳德数在2～5时，水跃摆动大、消能率不到50%，这样将造成跃后水流强烈的紊动和波动，给下游消能防冲带来巨大的困难。SUE水电站消力池中大流量泄流时严重的水拱现象及下游渠道底部较大的流速，说明原设计消力池池长不足，消能防冲效果需要提高［7］。

4.1.2 优化方法措施

（1）选择合适跃长计算公式确定池长

(4) 有同学建议，将本实验使用的白炽灯改为LED灯，因为白炽灯产热多，会使不同组之间的温度产生差异而影响实验结果。此建议得到了老师和同学们的一致赞同，这是因为这一改进有利于遵循____________原则。

应根据水跃特点选取水跃长度公式计算跃长确定池长。根据低水头低弗劳德数跃长计算方法［8］，选取低水头低弗劳德数水跃长度公式L=10（Fr1-1）h1计算水跃长度为56 m，消力池长度取水跃长度的0.8倍，消力池长度计算为44.5 m，取消力池长度45 m，故优化方案为在原设计方案基础上加长消力池及导流墙长度5 m以控制水跃。

（2）在水跃尾部合适位置设置消力墩

既控制水跃又要提高低水头、低弗劳德数灌区泄水建筑物下游消能防冲效果，且经济可行，在加长消力池基础上，可在消力池内（水跃发生段）布设不同型式、位置的消力墩。根据前人研究结果［9-13］，水跃尾部设梯形消力墩消能效果优于水跃首部消力墩消能效果，故将梯形消力墩放于消力池尾部。根据分析不同墩位置跃后水深及流态特点［4-7］，认为消力墩布置在距水跃尾部小于0.4倍水跃长度处，形成淹没出流，下游水流流态平稳，不会出现二次水跃且又能起到消能防冲效果，为此优化方案把梯形消力墩放置在距水跃尾部0.4倍水跃长度处进行模型观测分析。

4.2 优化方案模型试验分析［14-15］

优化方案效果采用模型试验方法进行分析，下面主要从最不利的PMF洪水情况对流态和防冲效果方面进行分析。

观测分析优化后模型试验及图3可以得出，模型优化试验消力池及海漫流态得到改善，大流量时水跃基本得到控制，海漫进口水拱现象得到改善，海漫水流平稳，主流居中。

分析图4可以看出，PMF洪水时消力池末端流速底部主流有所上移，表面回流速度减小，垂向流速分布基本趋于正常河道水流流速分布，优化后海漫末端底部流速较优化前减小，PMF洪水时海漫末端底部流速最大1.15 m/s。

海漫下游断面流速分布为典型的正常流速分布，下游河床为中砾砂河床，设计洪水时渠底最大流速为1.45 m/s，设计流量时下游河床不会发生冲刷。

图3 优化方案闸门全开PMF 洪峰流量时消力池流态

图4 PMF洪水海漫末端断面优化前后垂向流速分布

5 结 论

（1）SUE水电站原设计方案的过流能力、上游进口流态、下游电站尾水波动均能满足设计要求。

（2）为控制水跃，提高消力池的消能防冲效果，采用加长池长和消力池中水跃尾部设置消力墩方法对原方案进行优化，优化方案效果较好，优化措施可对低水头低弗劳德数泄水建筑物工程提供参考。

（3）为防PMF洪水时下游河床冲刷，建议SUE水电站下游河床可采用卵石或抛石砌护。

［1］ 黄河勘测规划设计有限公司.SUE水电站工程预可研报告［R］.郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2012.

［2］ 罗秋实.河流数值模拟技术及工程应用［M］.郑州：黄河水利出版社，2012：191－220.

［3］ 中华人民共和国水利部.水工（常规）模型试验规程：SL155-2012［S］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［4］ 黄河水利职业技术学院.SUE水电站水工模型试验报告［R］.郑州：黄河水利职业技术学院，2013.

［5］ 罗全胜，王勤香.水力分析与计算［M］.郑州：黄河水利出版社，2013.

［6］ 张志昌.水力学［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［7］ 李 炜.水力计算手册［M］.2版.北京：中国水利水电出版社，2007.

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［9］ 吴战营，牧振伟，潘光磊.导流洞出口消力池内设置悬栅消能工试验研究［J］.水利与建筑工程学报，2011，9（4）：39－41.

［10］ 王均星，朱祖国，陈利强.消力池内辅助消能工对水跃消能效率的影响［J］.武汉大学学报（工学版），2011，44（1）：42－46.

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［12］ 唐聪聪，刘亚坤.某人工弯道式渠首分层取水结构段模型试验研究［J］.水利与建筑工程学报，2016，14（1）：10－14.

［13］ 王二平，娄利芳，黄 山，等.某节制闸工程泄流消能试验研究［J］.华北水利水电学院学报，2012，33（1）：29－33.

［14］ 吴战营，牧振伟.消力池内悬栅辅助消能工优化试验［J］.水利水电科技进展，2014，34（1）：27－31.

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Design Scheme Evaluation and Optimization of SUE Hydropower Projects

WANG Qinxiang1，ZHU Zhengde2
（1.Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng，He’nan 475004，China；2.Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，Hubei 430074，China）

According to the test requirements of contract and specification，based on abnormal fixed bed model tests，the design scheme evaluation of SUE hydropower projects shows the building size and design size are reasonable and overflow capacity of sluice can meet the requirements.Upstream arc－shaped guide wall can smooth inlet flow together with downstream the guide wall.When the flow is more than the designed flow，the restraint ability of stilling basin to hydraulic jump and energy dissipation is ineffective.According to the characteristics of the downstream hydraulic jump，the optimized scheme of original scheme is to lengthen reasonably the stilling basin and set eliminating force piers in the back of hydraulic jump in stilling basin to help the dissipation.By adopting optimized model，under PMF flood，apron extension flow pattern is steady，the velocity of apron extension terminal distribution tend to be the normal river flow velocity distribution；under design flow，the bottom velocity of the downstream of apron extension decreases which will not cause the downstream river bed erosion.

hydropower station；design scheme；evaluation；optimization；model test

TV65

A

1672—1144（2016）05—0132—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.025

2016－06－04

2016－07－01

河南省教育厅科学技术研究重点项目“基于水流特性的生态灌区水利工程安全运行技术应用研究”（15B570002）

王勤香（1969—），女，河南中牟人，教授，主要从事治河防洪及水力学教学与研究工作。E－mail：kfwqxbeibei@163.com