落中子水电站溢洪道弯曲段改造设计试验研究

◇浙江中水工程技术有限公司 金辉杰

落中子水电站弯曲段半径与弧长比相对较小，因此在弯曲段采用了反超高的工程方案，来平衡因重力场向外侧偏移的水流，优化弯曲段内水流流态，减小横向流速，同时改善下泄水流的汇合点以及整个水利构筑物的流态分布。本文借助物理模型试验对比了现状工况和优化工况的水流分布效果，研究结果显示：优化方案下溢洪道范围内流态显著改善，水流分布合理，下泄水流规律明显平顺。

1 落中子水电站概况

落中子水电站位于重庆长寿，距离长寿市城区约22.56 km，主要功能是拦洪，同时也综合考虑区域的农田灌溉、重点水源补给等。同时，落中子水电站在泄洪期间，下泄流量较大（设计下泄流量为450 m3/s），通过落中子水电站溢洪道将水流引流至下游的二干河。在溢洪道中段，受鲤鱼石等礁石阻挡，无法采取平面形态布置，同时考虑到本工程下泄水头落差太大（纵坡约为1:0.03），需要加大下泄路径长度来减小溢洪道底板坡降。因此，在中段设置圆心角为35°的弯曲段绕过鲤鱼石。溢洪道段示意图见图1。

2 物理模型制作

考虑到本工程重点关注水流流态和流速值，且本工程无需考虑河床底部推移质泥沙和水中悬移质泥沙的运动，因此无需考虑模型重度的变化。综上选择1:40的正态物理模型，进行放水试验研究。同时，试验目的重点是水流水体的三维空间分布，为了更好地观察水流流态，模型材料采用透明的有机玻璃塑料板，塑料板顶部不进行设置。

3 现状方案存在的问题

在未进行弯曲段超高改造之前，高速下泄的水流在流经弯曲段时，受到巨大的离心力作用，水流明显向凹岸侧集中，凹岸侧的水流明显要高于凸岸侧，在同一断面上，水流产生了明显的水位高差，最大高差达到7.5 cm，换算到原型中即是3.0 m高。同时，这样打的水位差，导致水流在下泄到梯坎段时，会出现明显的水力梯度，导致水流混乱并冲击两侧岸壁，对溢洪道的结构安全和稳定运营产生严重的威胁作用。

4 反超高方案计算原理及计算结果

本文的原理是将底板设置横坡，根据横坡产生的重力（侧向底板低的一侧的分力，来平衡离心力），从而是弯曲段内的水体，在整体上达到水平方向的受力平衡。在此理论基础指导下，重点是分析离心力，并设计左、由两岸的重力分力差。

其中，急流冲击波影响角度范围计算式如下，计算原理如图3（1）所示：

在式1中，b-溢洪道垂直轴线宽度；-溢洪道弯曲段半径（非规则圆形取半径平均值）；-水流进入弯曲段后水流轴线与溢洪道中线轴线的交角。

在图3（2）中，左岸下降的水体体积V1和右岸上升的水体体积V2表达式依次如式2与式3：

根据式2与式3以及图3，通过几何关系可换算得到左、右岸的底板调整高度，整个底板按照两个节点的高度进行高程换算，计算表达式如下：

图3 利用水体自重平衡离心力计算思路

经计算，在采用反超高法调整溢洪道底板高程后，溢洪道各特征断面底板高程设计值如表1所示。

表1 修改方案下溢洪道各特征断面底板高程

5 试验效果分析

在按照本工程优化方案后，采用对比工况即设计工况的流量、水位进行放水试验，试验结果如图4所示。分析可知：

图4 方案调整后水流分布试验效果

（1）在原方案下，即未进行弯曲段超高改造之前，高速下泄的水流在流经弯曲段时，受到巨大的离心力作用，水流明显向凹岸侧汇聚，凹岸侧的水流明显要高于凸岸侧；凹岸、凸岸侧水体所占总比例分别为73.28%和26.72%；凹岸侧的水体体量可达到凸岸侧的3倍左右。同时，在同一断面上，水流产生了明显的水位高差，最大高差换算到实例工程原型可达到3.0 m高。

同时，在溢洪道弯曲段中段、末端，以及梯坎开始段，由于严重的水力梯度差，导致水流在三维空间上出现水流散流的状态，出现了多处折冲水流。整体来看水流流态较差，有明显的涡流产生，且对溢洪道弯曲段末端及下游的两侧边壁产生了较大的冲击力。

（2）在采用反超高方案后，凹岸侧的水流收到重力沿底板的横向分力后，充分抵消、减弱了离心力的影响，两侧水流水头落差有显著下降。

（3）在未进行弯曲段超高改造之前，实例工程的左右两岸最大水头差为3.0 m，平均水头差为1.76 m；在采用反超高方案后，实例工程的左右两岸最大水头差为2.37 m，平均水头差为1.09 m；水头差过大问题有明显好转。

同时，随着两岸侧水流流态的改善，整体水流流场分布也更加均衡；由于左右两岸下泄的水流体量相当，冲击波交汇区域位置从原方案下的靠近凸岸侧逐渐改为了在溢洪道中间，有效分散了原方案下水流冲击集中的情况，减小了溢洪道两侧边壁的水流直冲轴力，有利于最不利工况下溢洪道整体的运营稳定。

表2 修改方案的优化效果分析

6 结论

本文基于实例工程（落中子水电站）溢洪道长度较短、坡降较大、下泄水流急（能量大），且弯曲段两侧水位差值较大的情况，本文根据以往研究理论，采用了反超高的方案，通过调整底板的横向坡度来平衡水流离心力，减小两岸侧的水头差。研究结果显示，在采用优化方案后，实例工程的左右两岸最大水头差由3.0 m下降为2.37 m；平均水头差由1.76 m下降为1.09 m；且冲击波交汇区域位置从原方案下的靠近凸岸侧逐渐改为了在溢洪道中间，大幅减缓了冲击波对边壁的影响，整个溢洪道弯曲段流态状况有显著改善。