修山水电站枢纽工程水工模型试验研究

2021-07-29钟砥宁王均星

广东水利水电 2021年7期

钟砥宁,王均星

(1.广东水电二局股份有限公司,广东广州 511340;2.武汉大学水利水电学院,湖北武汉 430072)

1 工程概况[1]

修山水电站位于湖南省桃江县境内资水干流下游，控制流域面积为2.7万km2，占资水流域面积的94.6%，多年平均流量为739.0 m3/s。电站以发电为主，兼有航运等综合效益。水库正常蓄水位为43.0 m，死水位为41.0 m，设计洪水位(P=2%)为46.47 m，校核洪水位(P=0.2%)为50.0 m，正常蓄水位以下库容为0.44亿m3，总库容为1.59亿m3。总装机为65 MW，多年平均发电量为2.76亿度。工程水位流量关系见表1。

表1 主要工程水位流量关系

枢纽坝长为866 m，从左到右次为左岸非溢流坝段、船闸段、泄水闸坝段、厂房(安装间)段和右岸非溢流坝段。其中，厂房安装5台13 MW的灯泡贯流式水轮发电机组。泄水闸为24孔，孔口净尺寸为14.0 m×7.5 m(宽×高)。消力池位于闸坝段中部(6孔)，两侧为护坦段。船闸等级为Ⅴ级，通航吨位为300 t。左岸非溢流坝为砼防渗心墙土石坝，右岸非溢流坝为砼重力坝，开关站设在下游右岸台地(如图1所示)。

图1 枢纽平面布置示意

2 水工模型设计

本次试验采用佛汝德模型定律(重力相似定律)设计为正态模型[2]。整体水工模型长度比例：Lr=100，时间比例：Tr=10，流速比例：Vr=10，流量比例：Qr=100 000。截取原型坝轴线上游1.2 km和下游0.8 km的河段范围。

泄水闸断面模型，长度比例：Lr=20，时间比例：Tr=4.472，流速比例：Vr=4.472，流量比例：Qr=1 788.854。

试验河段沿程布设9个流速测量断面和9个水位测点。采用电磁流量计控制流量，电脑流速仪测流速，水位测针测水位，测压管量测压力。

泄水闸和溢流堰采用有机玻璃制作，其余部位为砖石砌体。模型河段采用模板法建造，石渣回填，砂浆抹面。

3 导墙及导航墙的优化布置试验研究

3.1 枢纽导墙优化布置试验研究

枢纽上游导墙设计长为75.0 m。近坝60.0 m内顶▽43.0 m，其余顶▽35.0 m。试验中，测试和研究了试验河道范围的流态及流速分布。其中，10年一遇洪水河道流速见表2。

表2 河道流速(Q=8 950 m3/s,P=10%) m/s

试验发现，右岸上游受河道收缩(收缩角60°)及附近沙洲影响，在流量Q>6 560 m3/s(P=50%)的各级流量条件下，导墙上游段49 m范围产生不同程度横向流，流速为2.0～3.0 m/s，对泄水闸右1、右2和右3孔的泄水作用减弱。Q<8 950 m3/s(P=20%)时，右3孔与导墙间的三角区域出现回流，闸室产生1.12～0.78 m/s负流速；当Q>10 900 m3/s(P=5%)时，横向流作用减弱，右边孔不再出现负流速。

为减少上述不利影响，可考虑将导墙缩短，顶高程降低，但从电站运行角度分析，过短的导墙会使电站进水口前水流横向流速加大，影响发电[3-4]。经比较试验，将导墙上游段长设为26 m，顶▽36.0 m，近电站进水口段长设为26.0 m，顶▽42.0 m。横向流有较大程度减弱，导墙上游附近最大横向流速<0.4 m/s，对泄水闸右边3孔的泄流影响已不明显。新方案取得较好效果(如图2所示)。

图2 枢纽上游导墙平面示意(单位：尺寸mm，高程m)

各级流量条件下，电站尾水渠出口水流水面平稳、水位稳定。但导墙下游采用过长的弧形段，迫使水流改向，向河心集中，局部流态变差，降低了泄水闸右1、右2两孔的泄流能力。上游来流量大于电站停机流量(4 000 m3/s)后，尾水渠无水流下泄，出口一定范围内出现局部回流，流速为0.6～0.9 m/s，存在泥沙淤积现象。

经比较试验，将电站尾水渠导墙下游弧线段中心角由37°改为15°，缩短弧长，导墙长度缩短(如图3b所示)。泄水闸右1、右2两孔的泄流能力得到了明显提高，尾水渠出口下游回流现象消失，且当电站恢复过流后，下泄尾水有足够清淤能力，原淤积于出口的泥沙被发电尾水带走，不影响正常发电[5]。

图3 枢纽下游导墙平面示意

3.2 上下游导航墙优化布置试验研究

原设计导墙长为56.0 m，顶▽44.0 m。船闸运行期，上游水位保持正常蓄水位为43.0 m。受上游沙洲影响，过长的导墙使得沙洲与导墙间形成一狭窄过流通道，水流下泄不畅，造成壅水和横向流。船闸上游水位高于43.0 m，水流漫过墙顶形成堰流，产生横向流速为1.0～2.0 m/s，不满足船闸运行要求[6]。

试验中考察了2种导墙形式：方案1，实体导墙，长度缩短为30.0 m，顶▽44.0 m；方案2，维持原设计长度，近坝30.0 m段用实体导墙(顶▽44.0 m)，30.0～56.0 m段采用格桩墙，为利于排沙，格桩底部连续实体墙的顶高程低于设计淤沙高程。试验表明：方案1，船闸正常运行期导墙上游侧最大横向流速约0.5 m/s；方案2，格桩墙范围内最大横向流速均小于0.3 m/s，故采用方案2(如图4所示)。

图4 船闸上游导航墙立面示意(单位：尺寸mm，高程m)

船闸下游导墙布设，主要考虑末端附近有无回流及横向流作用。试验最终将船闸下游导航墙尾段缩短25 m，其余段维持不变。导墙顶高程按电站停机流量(相应下游水位40.066 m)控制，可降到▽41.5 m，如图5b所示。下游端附近无横向流及回流现象，满足船闸通航要求[6]。

图5 船闸下游导航墙结构示意

4 下游消能防冲试验研究

4.1 试验水文组次

根据泄水闸调度运行方式下的下游水位流量关系，选取有代表性的水文组次作为消能防冲建筑物和闸门运用的试验水文条件[7](见表3)。

表3 试验水文组次

4.2 原设计试验方案研究

枢纽设24孔泄水闸，下游消能防冲设计洪水标准为30年一遇。消力池尺寸为27 m×2.5 m(长×深)，位于泄水闸坝段中部(9孔)，池后设10 m长护坦，之后1：10斜坡与下游河床相接；其余闸孔采用平底护坦，护坦长为26 m。水闸下泄流量分为5种运行工况(见表4)。

表4 泄水闸运行工况

针对设计闸下消能防冲的不同工况进行研究。闸门开度须适应下游水位，避免水跃冲出消力池，表面波浪过大等影响。不同工况需形成的闸下水流流态为：①Q≤1 000 m3/s，确保水跃发生在消力池范围内；② 1 000 m3/s

为确保上述流态形成，不同下游水位条件下，对闸门开度有一定限制。图6反映了特定下游水位时，闸门开度的最大允许值，以此确定闸门开度。

图6 消能防冲安全开度与下游水位关系曲线示意

4.3 推荐方案试验研究

为适应电站低水头大流量泄洪特点，方案布置、选择底流消能方式总体是合理的，整体泄洪能力满足，经试验验证，某些建筑物布置及尺寸需优化。

4.3.1下游护坦

如上所述，护坦段闸门开启条件是Q>1 000 m3/s。其中，对护坦长度起决定作用的是工况2。此时，上游保持正常蓄水位为43.0 m，下游最低水位为36.614 m(流量为1 000 m3/s)，最大水头差为6.4 m。为复核护坦长度，分析闸水流佛氏数(见表5)。1 000 m3/s

表5 护坦段出闸水流佛氏数

由表5可知：对护坦段下游消能防冲起控制作用的流量为1 500 m3/s。试验发现，在淹没闸孔出流条件下不能产生水跃，出闸淹没射流影响范围在距闸墩尾部16.0 m内，以此确定护坦长度为16.0 m，推荐方案如图7所示。

图7 护坦段断面示意(单位：尺寸mm，高程m)

4.3.2消力池

试验发现，采用斜坡消力池，对水位变化的适应性较好，不同下游水位条件下均能产生完整水跃[9-10]。根据设计消能防冲工况1时，消力池最大下泄流量为1 000 m3/s。为确定消力池尺寸，实测各级流量水跃产生情况分别为了100 m3/s、200 m3/s、500 m3/s、1 000 m3/s以及大于1 000 m3/s(见表6)。对试验中产生稳定水跃的组次进行理论计算，结果见表7所示。

表6 消力池水跃试验成果

表7 消力池水跃理论计算

试验及理论计算结果均表明，对消力池孔数起控制作用的流量为1 000 m3/s，对池长起控制作用的流量为500 m3/s。因此，消力池设计流量取500 m3/s，相应泄水闸上、下游水位为43.0 m、35.639 m。试验与理论计算所需要消力池长度分别为22.0 m、28.5 m。试验值偏小，原因是水跃淹没度过大，理论计算的水跃淹没度为1.23(设计通常采用1.05)。因此，试验结果是可信的。池底高程受坝址区地质条件影响，设计▽28.5 m，低于原河床5.5 m，消力池深度足够，各级流量条件下均能产生淹没水跃[11]。

综合上述分析，消力池段设置6孔(泄水闸)，池底▽28.5 m，池长为22 m；两侧边墙高度，按最大跃后水深加一定超高取值，跃后水深最大为5.79 m(流量 1 000 m3/s)，取边墙高度为7.0 m，相应顶▽35.5 m。推荐方案如图8所示。

图8 消力池段断面示意(单位：尺寸mm，高程m)

4.3.3海漫

表8 消力池海漫长度理论计算

各级流量条件下，通过对消力池段海漫长度的计算，对长度起控制作用的工况流量为1 000 m3/s(开启6孔)，此时长度为36.29 m。试验取LP=35.0 m，针对消力池各级控制流量，进行海曼末端冲坑试验，冲坑深为0.83～1.98 m，末端应设置防冲槽[12]。推荐方案如图8所示。

对于护坦段，由于不能形成水跃，消能方式不同于底流消能，上述计算公式不再适用，须由试验确定其长度。参考4.3.1叙述，设计中仅考虑出闸水流佛氏数大于2.5的情况，对应下泄流量分别为1 500 m3/s、2 000 m3/s、2 500 m3/s、3 000 m3/s，取其长度为16.0 m，末端需设防冲槽[13]。推荐方案如图7所示。