轿顶子水电站挑流鼻坎段体型优化模型试验研究

杨东玲

（凌源市节约用水管理办公室，辽宁凌源122500）

1 工程背景

轿顶子水电站属于半拉江上游六股河干流上重要在建水利工程[1]。该工程坝址位于宽甸满族自治县太平哨镇轿顶子村境内，设计库容为0.87亿m3，主要建筑物由混凝土重力坝、副坝、溢洪道、泄洪洞以及引水发电系统构成。其中，电站溢洪道位于大坝左岸的山体上，主要由进水渠段、侧槽段、调整段、洞身段、明渠段、挑流鼻坎段及消能防冲段构成[2]。溢洪道的总长度为198.00 m，最大下泻流量为125.0 m3/s。其中，进水渠段采用的是WES曲面堰设计，长度为10.00 m，为C25混凝土浇筑；调整段长15.00 m、宽4.50 m，右侧设C25挡墙与大坝坝体相连，底板为C25钢筋混凝土衬砌；洞身段水平长130.00 m，为城门洞断面设计；出口明渠段为矩形截面陡槽，长20.00 m；挑流鼻坎长16.80 m，挑射角为27.378°，反弧段半径为34.00 m。

2 模型试验设计

2.1 模型制作

水力学问题比较复杂，采用模型试验的方法具有显著的优势，对解决相关问题有重要的帮助[3]。根据研究对象的特点和实际需要，此次模型试验的模拟范围为溢洪道和上游部分库区，总长148.62 m。其中溢洪道段长83.62 m，上游库区段长65.00 m。鉴于研究的水流主要受到自身重力作用的影响，因此采用重力相似性准则进行模拟，采用1∶40的几何比尺进行模型制作[4]。为充分拟合溢洪道段混凝土的糙率，该部分模型采用有机玻璃制作，误差不超过2 mm，模型的其余部分采用PVC板材制作，误差控制在5 mm以内[5]。

2.2 测量设备

试验过程中的水深用直钢尺测量，水流流速利用便携式流速仪测量，压强采用多功能检测系统和压力传感器测量，流量则采用宽矩形量水堰测量[6]。研究过程中，按照上述要求做好实验模型，并布置好相应的压强和流速测点，然后开始试验，并测量和记录相关数据[7]。

2.3 试验内容

试验在水电站的校核水位（339.80 m）工况下进行，对原设计方案和优化方案条件下的溢洪道的水力特征数据进行观测、记录和分析，提出不合理的体型和相应的优化意见，并验证优化方案的有效性与可靠性[8]。

3 试验结果与分析

3.1 原设计方案

根据原设计方案制作好试验模型，在设计水位工况下进行试验。试验结果显示，溢洪道挑流鼻坎段右边墙部位的水面存在比较明显的超高现象，部分位置的水面已经超出了导墙的设计高度，挑流鼻坎的起挑流量为23.8 m3/s。随着流量的逐渐增大，水舌的挑距也明显增大，由于挑坎和对面山包之间的距离较小，水舌会对山包的根部造成明显的冲刷。因此，需要对挑流鼻坎的体型进行优化设计，使水舌落入河床部位，避免对山包根部产生冲刷，防止由于冲刷作用引发山体滑坡，对溢洪道安全造成影响。

3.2 优化设计方案

针对溢洪道原设计存在的问题和不足，对挑流鼻坎的原设计体型进行优化。为了使下泄水流能够平顺转弯，避免右侧水面超高的问题，在桩号0+152.150断面处设置外径和内径分别为40.0 m和37.0 m的同心圆，采用25.00°的平面转角，底坡的坡度设置为0.01，在桩号0+168.950断面后接挑流鼻坎。挑流鼻坎的反弧半径设定为45.0 m，挑角为11.97°～14.12°，平面的外半径和内半径分别为40.0 m和25.0 m，外墙和内墙的转角分别为15.00°和21.23°。上述设计方式可以使挑流鼻坎的平面具有一定的扩散性，减小下泄水流的单宽流量，利于消能。舌型挑坎为新型设计，在国内洛溪渡水电站和小湾水电站的设计中采用，并获得了良好的效果。此类挑坎使下泄水流的横向扩散更为均匀，达到分散水流能量的目的。因此，研究中将出口挑坎设计为舌型挑坎，半径为2.0 m，中心角为126.89°，弦长为3.578 m。

3.3 优化方案试验结果与分析

3.3.1 水流流态

按照优化后的方案重新制作模型，在设计工况和校核工况下进行试验。从实验过程中的水流流态可以看出，由于优化设计方案中在挑流鼻坎的上游增加了弯道，设计工况和校核工况下的水流流态较原设计方案更为平顺，右侧水面超高的问题得到显著改善，水流在经过挑流鼻坎后，明显向下游左侧转弯，有效避免了对山包根部的冲刷作用。同时，在水舌落入下游河道后，由于水流比较顺畅，回流作用也显著减轻，这对减小水舌的回流淘刷作用十分有利。

3.3.2 沿程水深

根据试验中的实测数据，整理和计算出设计工况和校核工况下挑流鼻坎段沿程水深，结果如表1所示。由表1可知，优化设计方案较原设计方案沿程水深变化幅度和左右边墙部位的水位差明显减小，右侧边墙部位的最大水深明显降低。其中，设计与校核工况下右边墙部位的最大水深分别为1.62，1.66 m，均小于该部位2.00 m的边墙设计高度，不会产生水面超出右侧边墙的问题。

表1 沿程水深试验结果统计表m

3.3.3 沿程压强

利用试验过程中测得的压强数据，绘制出如图1所示的设计和校核工况条件下的沿程压强分布图。由图1的结果可知，弯道段在设计与校核工况条件下的沿程压强最小值分别为1.56×9.8，3.18×9.8 kPa；挑流鼻坎段在设计与校核工况下的沿程压强最小值为1.68×9.8，2.91×9.8 kPa。由此可见，在设计和校核工况下，沿程压强的最小值均为正值，不会出现负压现象，不会造成水流空化现象。

3.3.3 下游冲刷结果分析

图1 沿程压强分布图（m）

试验中，对20年一遇工况、设计工况以及校核工况下挑流鼻坎下游的冲刷数据进行实测，根据实测结果绘制出冲刷剖面图。其中，沿右岸水流方向的冲刷剖面图如图2所示，最深冲坑的横、纵剖面图如图3所示。由图2可知，挑流鼻坎经过优化之后，挑射水流产生的水舌直接落入下游加宽的河床中，从而避开了对面的山包，显著缓解了原设计方案中水舌水流对山包根部的冲刷问题。由图3可知，20年一遇、设计和校核工况下，右岸水流淘刷后的最深高程分别为295.60，293.93，290.06 m。从冲刷坑的深度来看，与原设计该方案相比分别浅了3.23，3.47，6.68 m。鉴于挑坎护坦末端底部的高程为291.30 m，经计算可知，3种不同试验工况条件下，冲刷坑的上游坡度均显著小于1∶2.5，满足消能设计的相关要求。

图2 沿右岸水流方向的冲刷剖面图

图3 最深冲坑剖面图

4 结语

此次研究以辽宁省轿顶子电站为例，利用模型试验的方法针对原设计方案存在的右边墙水面超高和水舌水流冲刷对岸山包根部的问题，提出了在挑流鼻坎上游增设弯道和采用舌型挑坎为主的优化设计方案。模型试验结果显示，优化设计方案条件下挑流段的水流流态比较平顺，右边墙部位不存在水面超高问题，沿程压强不存在负值，不会出现水流空化现象；挑射水流水舌直接落入下游的加宽的河床中，显著缓解了原设计方案中水舌水流对山包根部的冲刷问题；冲刷坑深度明显变浅且上游坡度均显著小于1∶2.5，满足消能设计要求。试验结果验证了优化方案的可行性和优势，建议在工程设计中采用。