重庆李家口水电站溢洪道设计及消能效果分析试验研究

张 晓

(重庆市水利水电勘测设计研究院，重庆 401120)

重庆李家口水电站溢洪道设计及消能效果分析试验研究

张 晓

(重庆市水利水电勘测设计研究院，重庆 401120)

针对重庆李家口水电站溢洪道下泄水流流速过大的情况，根据李家口水电站实际建设环境，结合设计经验，从进水渠、尾墩、泄洪隧洞、消能段几部分入手，对各部分结构进行了详细设计。建立长宽高均为1∶50的正态模型进行概化模型试验。从试验效果来看，进水渠、尾墩两侧、泄洪隧洞弯曲段，以及溢洪道末端的水流都较为平缓，没有出现明显的壅水、冲击波、乱流等不利流态。本文设计的挑流消能段消能效率高达79.5%，有效消耗了下泄水流能量，减小了下泄水流流速，消能效率良好，对保证下游河床稳定有积极作用。

溢洪道；进水渠；导流边墙；消能效率；斜底坎

1 工程概况

重庆李家口水电站位于重庆市巫山县的清溪口河，水电站上距孔岩庙6.5 km，下离张皮村11.7 km。工程河段控制流域面积约253.9 km2，年均径流量约1.32亿 m3，设计洪水位(根据水电枢纽等级取1%)为547.84 m，正常蓄水位为546.00 m。该水电站按照建筑物性质可分为拦河坝、取水口、引水隧洞、调压井、压力管道和厂区建筑物。根据清溪口河李坝村水位站相关资料，李家口水电站水位与流量呈幂指数关系，其对应关系如图1所示。

图1 重庆李家口水电站坝前水位与上游来流量对应关系图

2 溢洪道设计

根据李家口水电站实际建设环境，结合设计经验，对溢洪道各部分进行详细设计[1-6]。

2.1 进水渠设计

进水渠轴线长29.12 m，宽度24.0 m，其前部呈喇叭口形状，进口前缘宽58.0 m。进水渠采用矩形断面。桩号溢0-029.12～溢0+000.0为溢洪道进水渠段。进水渠由山体开挖形成，渠底高程533.00 m，进水渠左边墙采用C20埋石混凝土衡重式挡墙，左侧靠山体桩号溢0-017.18以上采用圆弧段，圆弧转弯半径为150.0 m，转角76°，圆弧末端通过长18.3 m的直线导水墙与控制段相接。

2.2 尾墩设计

对进水渠形态对水流引导作用进行分析，采用变宽度斜尾墩结构来分散两侧水流对冲作用。其中，尾墩宽度在前6.34 m由4 m渐变为0.6 m，收缩角为15°，尾墩宽度在后9.41 m为0.6 m；尾墩高度在15.75 m范围内由6 m均匀降为0 m，如图2所示。

图2 李家口水电站尾墩剖面及平面图

2.3 泄洪隧洞段设计

泄洪洞起于桩号溢0+076.00止于桩号溢0+574.33。泄洪洞全长498.33 m，底板纵坡i=0.1，桩号溢0+076.00～0+287.93为12.00 m等底宽泄洪洞,桩号溢0+076.00～0+119.69段为43.69 m长的直段；溢0+119.69～0+256.39为转弯段，转弯半径为200 m，圆心角为39.16°；桩号溢0+256.39～0+287.93为直线段。

为了减小泄洪隧洞段左、右两岸水头差，在弯曲段底板设置斜底坎。斜坎垂直于弯道底部，与弯道轴线成25°～55°夹角，初设高度为渠道水深的1/10～1/5，间距为斜槛高度的8～10倍。

2.4 消能段(挑流鼻坎)设计

消能段位于泄洪隧洞末端，该段全长17.0 m，挑射角约为31°，反弧半径为30 m。挑坎建基面高程474.38 m，挑坎顶高程477.86 m，反弧最低点高程475.2 m，挑坎底前后齿槽深1.0 m，宽1.0 m。

2.5 概化模型设计

为验证本工程设计效果，拟建立概化物理模型进行试验研究、分析[7-9]。其中，模型采用长宽高均为1∶50的正态模型；根据换算，流速比尺为1∶7.1；流量比尺为1∶17.7；糙率比尺为1∶1.92。同时，进水渠采用砖混材料，为更好观测水流流态与气蚀情况，泄洪隧洞段采用有机玻璃制作。为更好地反映整个工程底板高程，采用断面板法用水泥砂浆刮制。

3 试验效果分析

将设计工况下，模型各部分的流态效果进行分析。

3.1 进水渠及尾墩流态效果

受导流墙作用，水流均匀由中墩两侧下泄，斜尾墩较好地缓解了两侧水流对冲，进水渠末端没有发生明显的水翅以及激流冲击波，两侧边壁亦无明显壅水情况，进水渠段流态十分良好，如图3所示。

图3 进水渠及尾墩流态效果

3.2 泄洪隧洞流态效果

本工程下泄水流流速较大，对左岸边壁有较明显的冲击。采用斜底坎布置后，有效改变弯道底部部分水流的方向，由于动量交换的机械作用，底部水流动量变化传给上部水流，使上部水流动量在整个方向上改变一个角度，部分水流从凹岸流向凸岸，对凹岸和凸岸水流水深平衡有显著促进作用。

3.3 消能段流态效果

将挑流消能效果分析列于表1。根据实验分析，本工程挑流消能段的消能效率高达79.5%，有效消耗了下泄水流能量，减小了下泄水流流速，消能效率良好，对保证下游河床稳定有积极作用。

4 结 论

根据李家口水电站实际建设环境，结合设计经验，对溢洪道各部分进行详细设计，其中根据工程实际情况提出的变宽度斜尾墩、在弯曲段增设斜底坎以及挑流消能方案对整个溢洪道工程消耗水流能量、控制流速、减小水流冲击波具有积极作用，研究结论可为同类工程提供参考与借鉴。

表1 挑流消能效果分析

[1] 中华人民共和国水利部．溢洪道设计规范：SL 253-2000[S]．北京：中国水利水电出版社，2000．

[2] 姜伯乐，杨文俊，张晖．三峡工程表孔空化问题试验研究与原型验证[J]．水力发电学报，2009，28(6)：71-74．

[3] 王世夏．水工设计的理论和方法[M]．北京：中国水利水电出版社，2000．

[4] 杨胜发，付旭辉.重庆市彭水县羊头铺水电站水工模型研究报告[R].重庆:重庆交通学院，2005.

[5] 胡鹏，胡江.中咀坡水电工程溢洪道水工模型试验研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2010，29(5)：813-815.

[6] 张昌平．河工模型测量[M]．北京：中国水利水电出版社，2011．

[7] Colebrook V F．Turbulent flow in pipes with particular reference to the transition region between the smooth and rough pipe laws[J]．Inst．of Civ．Engrs．，1938(11)：133-156．

[8] 谢龙．三峡变动回水区末端段复合水动力条件分析及对泥沙输移的影响[D]．重庆：重庆交通大学，2013．

[9] Wu B S，Wang G Q，Xia J Q，et al．Response of bankfull discharge to discharge and sediment load in the LowerYellow River[J]．Geomorphology， 2008，1(2)：8-17．

Experimental study on spillway design and energy dissipation effect of Lijiakou hydropower station in Chongqing

ZHANG Xiao

(ChongqingWaterConservancyandHydropowerInvestigationDesignandResearchInstituteChongqing401120,China)

Because of the too large flow velocity of the spillway in Chongqing Lijiakou Hydropower Station, the structures such as the inflow channel, the tail pier, the flood discharge tunnel and the energy dissipation section are designed in detail based on the actual construction environment and the experience .A normal model with length and width is 1∶50 is established.From the experimental results, the flow of the inlet channel, both sides of the tail pier, the bending section of the flood discharge tunnel and the end of the spillway are gentle, there is no obvious backwater, shock waves, turbulence and other unfavorable flow.The efficiency of the energy dissipation section designed in this paper is as high as 79.5%. It dissipates the energy of the discharge flow effectively and reduces the speed of the current and ensure the stability of the downstream river bed.

spillway;inlet channel;diversion wall;efficiency of the energy dissipation;sloping sill

张 晓(1990-)，女，满族，辽宁锦州人，助理工程师，主要从事水利水电工程设计相关工作。E-mail: 624045664@qq.com。

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：2096-0506(2017)08-0053-03