绰斯甲水电站泄洪闸水工模型实验效果分析

王 剑 曾海钊

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

绰斯甲水电站泄洪闸水工模型实验效果分析

王 剑 曾海钊

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

为了使水电站建筑物设计指标更加合理，本文对绰斯甲水电站泄洪闸进行了水工模拟实验，对试验数据进行了分析。试验结果表明：冲沙闸、泄洪闸联合泄洪能力和单独泄能力均满足要求，为水电站调度优化和验证下游岸坡防护工程设计参数提供了参考依据。

水电站；泄洪闸；模拟实验

1 工程概况

绰斯甲水电站位于大渡河流域绰斯甲河中游，地处四川省阿坝藏族羌族自治州壤塘县蒲溪乡。工程由泄洪闸、冲沙闸、排污闸、左右岸连接坝段及取水口等建筑物组成。坝顶全长134.50m，闸坝顶高程2790.00m，最大闸高27.50m。正常蓄水位2788.00m，汛期运行水位2785.00m，死水位2784.00m，设计洪水位2781.12m，校核洪水位2784.90m。水电站泄洪和库区冲沙形式为“正向泄洪、冲沙，侧向取水”，在主河床位置布置3孔泄洪闸，左岸紧靠进水口布置冲沙闸及排污闸各1孔。电站装机390MW，总库容116.20万m3。绰斯甲水电站是一座单纯以发电为主的大（2）型水电站工程。

绰斯甲河发源于青海省班玛县，其流域北为巴颜喀拉山脉南东段，南西为大雪山脉，东临邛崃山脉北段。河流上游分为杜柯河和色尔曲两源，杜柯河为主源。杜柯河在汇入色尔曲后始称绰斯甲河。干流总长400.50km，流域面积15935km2，其中四川境内（鱼托乡至绰斯甲河口）长约221km，天然落差1278m，河道平均比降5.78‰。

2 试验目的与内容

2.1 试验目的

通过水工泥沙模型试验进行综合研究，以验证和优化首部枢纽整体水流条件、泄流能力等，确保电站库区冲沙、库区排沙及下游消能防冲能力，并为验证和优化水电站调度运行方式和下游岸坡防护提供试验依据。

2.2 试验内容

a.坝前库区（试验段）总体水流流态及冲沙闸、泄洪闸、排污闸等各泄水建筑物进流流态观测，消除可能出现的不良水流现象。

b.观测冲沙闸、泄洪闸（单孔和组合泄流）的泄流能力，提供水位—流量、水位—流量系数关系曲线；提供下泄特征洪水［如设计洪水（P=1%）、校核洪水（P=0.1%）、下游消能防冲设计洪水（P= 2%）等］相应上游库水位。

c.当河道流量在650～1580m3/s时，分别观测冲沙闸、泄洪闸在汛期排沙运行水位下不同开度与泄流量关系，提供相应开度—流量关系曲线。

d.观测下游水流运动形态。

e.通过试验对下游消能设计进行修改比较优化；提供出口下游动床冲刷地形、流速分布和岸边流速、岸坡涌浪等观测成果，提出岸坡防护措施建议。

f.库区拦沙效果和优化闸前导、排沙设施布置；通过选定的避峰流量650m3/s及135m3/s（汛期径流P=50%）模拟库区、闸前的泥沙运动状况及首部枢纽排沙效果；结合推移质运动观测，调整导（拦）沙设施的布置［1］。

g.中水年库段输沙过程试验（汛期过程）。在导（拦）沙设施调整优化基础上，以设计提供的冲淤平衡地形铺垫，并经适当流量进行调整运行后的淤沙地形为库区冲淤试验初始地形，按代表年入库水沙条件进行输沙过程系列试验，验证库区（试验段）泥沙运行及调度的综合性能；通过输沙过程系列试验，提供库区（试验段）输沙过程中各次敞泄排沙前后有关时段淤积形态、库容变化情况以及电厂取水口引水含沙量（总含沙量和d≥0.25mm颗粒情况）；提供输沙过程前与输沙过程完成后相应库区试验段（包含泄洪冲沙闸前、取水口前范围）流速分布。

3 模型设计及验证

3.1 模型设计

根据模型试验任务要求，模拟涉及首部枢纽水工水力学、水电站泥沙淤积、取水口库区冲沙等，保证水流和泥沙运动相似，本模型为比尺λl=40和λh= 40的正态模型。本模型按重力相似准则进行设计，其各项相似关系和相似比尺如下：

长度比尺：λL=40；

流量比尺：λQ=λL2.5=402.5=10119.30；

速度比尺：λv=λL0.5=400.5=6.325；

糙率比尺：λn=λL1/6=401/6=1.849；

时间比尺：λt=λL0.5=400.5=6.325。

经过计算，推移质粒径比尺、输沙率比尺和推移质运动时间比尺分别为λd（推）=40、λgb=252.98、λt（推）=6.33。

3.2 河床沙级配

本河段为卵石夹沙河道，模型试验采用的床沙级配换算后见下表和图1。

绰斯甲水电站床沙颗粒级配成果表

图1 绰斯甲水电站床沙颗粒级配

推移质泥沙试验，根据设计提供的多年河床淤积粒径级配，按推移质粒径比尺换算，选用天然沙模拟原型沙［2］。

3.3 模型制作与水面线验证试验

此次模型试验模拟河道总长1.40km，坝址以上0.90km，坝址以下0.50km。模型由前池、库区、坝段、泄水建筑物、电站取水口、下游河段等部分组成，其中取水口及泄水建筑物全部采用有机玻璃制作。下游水位控制断面在0+400处，按照设计提供的该断面水位—流量关系确定（见图2）。

图2 断面水位—流量关系

为满足该枢纽模型试验研究和验证的需要，在模型河床布置了7个断面，左右两岸分别对称布置水位测点，共14个测点。试验中分别在134m3/s、262m3/s、650m3/s、984m3/s和1580m3/s五级流量情况下，测量试验河段的水面线，其资料作为校核该模型糙率与原型河道糙率相似的依据。

水面线验证试验结果表明：模型河道采用的水泥砂浆抹面糙率偏小，实测模型水位偏低，因此，对模型河床采用水泥砂浆块体加糙，经反复调整加糙块体间距，达到了模型河道水面线与原型河道水面线的基本相似。通过加糙，五种流量下试验测量水位与设计提供水位的最大误差为_0.13m，因此，可认为模型河道糙率与原型基本满足阻力相似要求［3］。

4 试验效果分析

4.1 泄流能力验证

模型试验对冲沙闸、泄洪闸单独泄洪和联合泄洪分别进行了泄流能力验证。冲沙闸全开时综合流量系数范围：堰流流态时为0.30～0.33，闸孔出流流态时为0.55～0.72；单开1孔泄洪闸流量系数范围：堰流流态时为0.30～0.31，闸孔出流流态时为0.60～0.70；泄洪冲沙闸全开的流量系数范围：堰流流态时为0.32～0.36，闸孔出流流态时为0.61～0.67。来流为1750m3/s（设计流量p=1.0%）与2320m3/s（校核流量p=0.1%）情况下，相应库水位分别为2780.16m与2783.94m，均低于设计计算值，表明该工程能满足泄量要求。

4.2 水流流态分析

试验观测结果表明：当水位在2782.00m以下时，闸室进口处为明流，冲沙闸和2号泄洪闸均能对称均匀入流，1号和3号泄洪闸的水流不对称；水位在2782.00m以上时，各泄水建筑物进口流态、闸室段流态均较好。

水流流出尾墩时较均匀，冲沙闸在桩号0+ 050.00附近形成水跃，泄洪闸的下泄水流在护坦上扩散，水流扩散后在桩号0+065.00附近形成水跃，水流在该段掺混剧烈，形成旋滚水流，受贴脚和尾墩作用，流出护坦后基本在河道中间，左右两侧形成回流。

4.3 坝下游动床冲刷分析

实测下游消能防冲洪水闸室末端冲沙闸中心线上流速为11.52m/s，泄洪闸1号、2号、3号孔中心线上流速分别为12.69m/s、11.19m/s、10.43m/s；实测下游河道内最大流速为6.89m/s。

下游局部动床冲刷试验表明：在各级典型频率洪水情况下，坝下游护坦以下河床及岸坡将产生不同程度冲刷，随着流量增加，冲刷范围和冲刷深度进一步增大，尤其是大流量洪水情况下，右岸护坡坡脚冲刷较为严重。

为减小水流对右岸边坡坡脚的冲刷，可通过降低闸下护坦高程和在护坦末端右侧增设楔形贴角和尾墩等工程措施，使各级洪水流量情况下，消力池护坦内水深增大，水跃稳定，水流紊动充分，扩散相对均匀，消能情况改善明显，水流流出护坦后，主流在河床中央，下游河床及边坡坡脚的冲刷亦明显减弱。建议设计单位根据试验结果对护坦末端和下游附近河床及两岸边坡岸壁，采取适当的防冲保护工程措施。

4.4 库区泥沙冲淤分析

库区泥沙冲淤试验结果表明：在反复对比试验并不断优化的基础上，通过调整原拦沙坎和冲沙闸右侧束水墙长度、方向、高程等，有效地改善了电站取水口前沿附近水流流态，避免了粗颗粒泥沙因水流扬动卷入电站取水口的现象，电站取水口引水防沙条件得到明显改善，枢纽设计引水防沙建筑物布置基本能保证“门前清”，推移质无进入进水口可能性［4］。在泄洪冲沙闸全开敞泄排沙的条件下，泄洪闸为库区泥沙排除的主要通道，在流量分别为135m3/s、650m3/s的情况下，电站停机，敞泄冲沙6h后，闸前库区河段的溯源冲刷长度均约为900m，冲沙总量均为6万m3。运行中建议加强闸前淤积监测，当闸前达到一定淤积高程时，进行敞泄冲沙。

5 结 语

综上所述，通过利用水工模型对泄洪闸进行泄流分析，可以准确分析出工程的泄洪能力及闸室段、进口段流态等，并根据模拟结果采取相应措施。

该工程模拟试验证明：冲沙闸、泄洪闸泄流能力均满足设计要求，但实际应用过程中，需要对泄洪闸护坦末端和下游附近河床及两岸边坡岸壁，采取适当防冲保护工程措施，并加强闸前淤积监测，当闸前达到一定淤积高程时，进行敞泄冲沙。

［1］ 李炜.水利计算手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］ 包中进，陆芳春，史斌.浙江省曹娥江大闸水力特性试验研究［J］.中国农村水利水电，2005（5）：60-63.

［3］ 史斌，包中进，陆芳春.曹娥江枢纽闸下冲刷试验研究［J］.浙江水利科技，2004（6）：32-34.

［4］ 王峰.利用FORTRAN编程进行水闸泄流计算应用［J］.中国水能及电气化，2011（3）：48-51.

表3 运行方案节能效果对比

5 结 语

石港泵站自建成以来截至2016年10月，累计运行1114台时，抽水0.9亿m3，其中抽排涝水0.7亿m3、抗旱补水0.2亿m3。该新型冷却装置发挥了巨大的节能效益，有效降低了工程运行成本，值得同行业其他泵站参考推广。

参考文献

杨锐.循环冷却水在水电站技术供水系统中的应用［J］.中国水能及电气化，2009（11）.

Analysis on Effects of Hydraulic Model Experimentation on Sluice of Chaosijia Hydropower Station

WANG Jian，ZENG Haizhao
（Chengdu Engineering Corporation Limited under Power China，Chengdu 610072，China）

In order to make designing indexes of hydroelectric station structure more reasonable,this article conducts hydraulic analogue experimen on sluice of Chaosijia Hydropower Station and analyzes the test data.Test results indicate that joint flood carrying capacity of scouring sluice and sluice and their respective flood carrying capacities can conform to what is required.It provides reference to schedule optimization in hydropower stations and verify design parameters of bank slope protective projects in the downstream.

hydropower station;sluice;simulation experiment

TV135.2

A

1673-8241（2016）12-0045-04

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.12.012