鱼嘴坳水电站溢洪道复合消能设计及物理模型试验研究

夏明月

(南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210001)

为保证水能利用效率，水电站溢洪道入口和出口水头差大，水流流速快。高速下泄的水流不仅对沿线溢洪道结构产生巨大冲击，严重威胁溢洪道建筑物运行安全，同时也将冲击下游河道，掏刷河床，影响河道内水流及河势稳定。因此，在水工建筑物设计中，如何合理有效设计消能设施，在下泄过程中有效消耗水流能量是设计的重点与难点。

国内外专家学者对于溢洪道消能做了诸多研究。重庆交通大学的曹志勇教授采用了流线型尾墩结构，有效地减小了进水渠两端水流对冲，减小了下游连接段水流流速。上海海事大学的毛明宇教授采用梯坎段结构，通过逐级水流旋滚来耗散水流能量。武汉理工大学的张兴志教授根据二元水跃理论，设计了下挖式消力池进行水流消能。

本文在以往研究的基础上，以重庆市鱼嘴坳水电站为实例工程，详细研究复合消能结构设计，并借助物理模型试验，分析消能效果。

1 工程概况

1.1 工程概况

鱼嘴坳水电站位于重庆市酉阳市马兰溪上游的拜佛岩处，拦河建筑物采用面板堆石坝，最大坝高为98.2m，水库正常蓄水位为680.0m，总库容达到1047万m3。根据相关规范，鱼嘴坳水电站永久建筑物按照Ⅱ级设计，临时建筑物按照Ⅳ级设计。整个溢洪道长612.22m，其中入口断面高程为682m，出口断面高程为574.64m，落差达到107.36m。

1.2 工程水文

根据马兰溪青岩子水位站的统计数据，工程河段的水位和流量关系曲线如图1所示。根据SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》关于工程等别及建筑物级别的规定，鱼嘴坳水电站为Ⅲ等中型工程，泄水建筑物级别为Ⅲ级，按规范要求定为100年一遇的设计洪水(P=1%)和200年一遇的校核洪水(P=0.5%)。因此设计洪水位为680.0m，设计洪水流量为447m3/s；校核洪水位为681.2m，校核洪水流量为668m3/s。

1.3 工程方案设计

工程原方案采用梯坎与底流消能组合的消能形式，立面设计方案如图2所示。其中梯坎段分为4段：第1段为29.5m的渐变段，梯坎宽度由1m渐变至4m；第2段为26级的2.5m宽的梯坎段；第3段为36m长的单级小型挑坎，第4段为6级梯坎，每级宽6m。底流消能为下挖式消力池，池深2m，长为45m。

图1 工程水位与流量关系曲线

图2 鱼嘴坳水电站溢洪道消能段原方案

2 工程方案优化设计

2.1 梯坎段方案修改

根据原方案的放水试验实测水面线，采用充分发挥阶梯段的消能效果，使得水流沿着合理的轨迹运动的原则，阶梯段修改方案在原方案的基础上，将整个陡槽段分为了4段：第1段为抛物线，其余3段为直线段。其中，陡槽段1共10级阶梯，长度依次为3.5、4.2、4.0、3.5、4.0、4.0、4.0、3.8、3.5、3.0m，高度由0.25m依次均匀增加至2.0m；陡槽段2为15级0.26m长，0.2m高的阶梯；陡槽段3共5级阶梯，长度由0.3m均匀增至0.5m，高度都为0.2m；陡槽段4为11级0.55m长，0.2m高的阶梯。

2.2 消力池方案修改

结合原方案的放水试验实测水面线，并根据二元水跃运动原理，对消力池尺寸进行优化。

消力池计算的主要内容是确定池长和池深，池宽可按与梯坎段出口衔接面的宽度取为16m，因此计算仍按二元水跃公式确定消力池的池长L和池深d。

(1)

(2)

Lk=h2，L=0.8Lk

(3)

d=δh2-h1-Δh

(4)

(5)

式中，h1—跃前水深，h2—跃后水深；H0—计算断面渠底以上总水头；φ—消力池出流的流速系数。

经计算，鱼嘴坳水电站溢洪道消力池池长宜取64.5m，池深宜取3.0m。修改后工程方案立面图如图3所示。

图3 鱼嘴坳水电站溢洪道消能段修改方案

工况位置阶梯段修改方案原方案左中右断面平均左中右断面平均设计工况校核工况梯坎段进口流速14.0414.3616.0614.8215.0015.2016.6115.60梯坎中段流速18.3217.6219.0418.3319.2122.7418.7720.24梯坎段出口流速13.8214.2614.5014.1916.1116.2715.4015.93消力池末端流速7.317.466.907.239.399.559.709.54消能率/%89.3281.31梯坎段进口流速14.4415.5116.8915.6114.6716.6417.4316.25梯坎中段流速18.9019.0520.0919.3519.3019.3321.9520.20梯坎段出口流速13.6514.2114.4514.1016.1416.7417.6416.84消力池末端流速7.778.007.507.7710.0810.7210.4810.42消能率/%93.1786.25

3 物理模型试验设计

采用几何比尺均为1∶40的正态物理模型试验进行原型及修改方案的试验研究。根据《水工模型试验》的相关公式推导，可知本工程流量比尺为12533.8；流速比尺为5.72；糙率比尺为1.919。整个模型基础采用水泥砂浆抹制，上部采用有机玻璃，以更好地进行流场观察。整体模型如图4所示。

图4 鱼嘴坳水电站溢洪道模型效果图

4 消能效果分析

两组方案在各工况消能效果对比见表1。分析可知：

(1)在各工况下，修改方案的梯坎段水流流态均优于原方案。修改方案各工况下梯坎段出口处流速均小于进口处流速，不但抵消了整个阶梯处水头落差的重力势能，还减小了一部分动能，同时，水流流态也有了明显的改善，水流基本贴底坡下泄，水气掺混充分，水流旋滚均匀，对溢洪道冲击作用显著降低。

(2)消力池修改方案采用二元水跃法调整消力池尺寸后，有效的消除了对下游河床及岸坡的巨大冲击。同时，由于水流在消力池内不断的旋滚、摩擦，很好的耗散了高速水流所挟带的动能，提高了工程运行的稳定性。在各工况下，修改方案消力池内水流流态也较为平缓，没有明显的水流波动、挑落等不利流态。

在设计工况、校核工况下，修改方案消力池的消能效率分别为74.2%、77.9%，远高于原方案的64.1%、67.3%。消能效果大幅提高。

(3)经计算，在设计工况、校核工况下，修改方案消能组合的消能率分别为89.32%和93.17%，消能工末端的平均流速分别为6.90、7.50m/s，远优于原方案81.31%、86.25%的消能率以及9.54、10.42m/s的消能工末端平均流速。优化效果良好。

5 结论

针对溢洪道下泄水流流速急、流态恶劣的情况，本文以重庆市鱼嘴坳水电站为实例工程，详细研究复合消能结构设计，并借助物理模型试验，分析消能效果。得到研究结论如下：

(1)鱼嘴坳水电站水工模型采用平面比尺1∶40的正态模型，模型材料保证糙率相似，模型水流条件具有较好的相似性，满足研究要求。

(2)根据原方案试验效果，结合二元水跃原理调整了梯坎段和消力池段尺寸。对比可知，在各工况下修改后的连续梯坎迫使水流形成连续的水跃，很好的耗散了水流携带的能量，修改后的消力池明显的提高了效能率，明显减小了下泄水流的流速，水流对边壁的冲刷明显减弱；同时，高速的水流没有形成明显的折冲和壅水，各断面水深、流量分布比较均匀。

(3)采用新的消能工组合，整个溢洪道流态基本均匀稳定，消能效果非常好，设计、校核工况下海漫尾部流速小于8.0m/s，达到设计预期目标，能保证工程安全稳定地运行。