某水电站表孔溢洪道消力池段结构优化的试验研究

徐莉平 ，葛旭峰，李 琳

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

1 工程概况及模型试验内容

1.1 工程概况

新疆某水电站由大坝、表孔溢洪道、导流兼深孔泄洪洞、发电引水洞及岸边式电站厂房组成，工程属中型Ⅲ等工程。表孔溢洪道布置在右岸，采用开敞式，由引渠段、控制段、渐变段、泄槽段、消能段组成。进口引渠段长368.1 m，底板高程1 466.0 m，平坡宽44 m。控制段长29.0 m，采用WES堰，堰顶高程1 469.0 m，堰高3.0 m，共3孔，单孔净宽13 m，设置弧形工作门及平板检修门各一道。泄槽段长320.7 m，前段纵坡i=0.02，长241.0 m，底宽44～34 m，采用矩形整体式结构。泄槽末端接陡坡段及消能段，陡坡段纵坡i=0.5，长79.7 m，底宽34 m，边墙高7.8～17.8 m。出口采用底流消能，消力池底板高程1 424.5 m，长82 m，池深7.5 m，底宽34 m，边墙高度17.8 m。下游护坦段的底板高程1 432.00 m。溢洪道剖面图见图1。30 a一遇洪水、设计洪水、校核洪水的水位分别为1 477.78 m(1 856.2 m3/s)、1 480 m、1 481.65 m。此消力池以30 a一遇洪水为设计标准。

图1 原设计溢洪道剖面图

1.2 模型试验的内容

试验各运行各工况下表孔溢洪道的流量及流态，验证表孔溢洪道控制段、泄槽段、陡坡段及消力池段各段体型设计的合理性：测定表孔各部分水深、流速、压力分布情况提出防止空蚀及磨蚀破坏的措施及改进意见；对出口消力池方案流态、消能效果、河床冲刷情况进行测试，并改进、优化消力池结构型式及尺寸，以减小对河床的冲刷；通过观测水流对河床的冲於形态及岸边的淘刷情况，提出修改措施及下游保护范围。

1.3 模型设计制作

模拟范围：选取坝体上游350 m，下游选取坝体下游1 600 m处。河道宽5～9.5 m。动床模拟的范围为0+434.66～0+537.42 m，动床采用散粒体石块。溢洪道的混凝土表面的粗糙系数为0.011～0.015，按比尺要求计算溢洪道模型表面糙率为0.007 6～0.008 6，换算成原型为0.014～0.016，与要求接近。各主要建筑物均用有机玻璃制作，已达到建筑物尺寸准确、外观光洁、并糙率相似，以便于观测水流。

表1 模型的主要比尺关系

2 溢洪道消力池段试验研究

2.1 原设计方案

原设计消力池尺寸如图1所示。试验结果表明：在不同库水位下，溢洪道消力池池内均发生淹没水跃，但是试验发现，溢洪道通过设计流量1 856.2 m3/s时，消力池内水流波动剧烈，在桩号0+387.743 m处水深最大为19.83 m，远大于消力池边墙高度，说明边墙高度不足；同时消力池内水跃跃出池外，跃后断面发生在0+403.28 m断面(消力池末桩号0+402.66)，说明消力池长度明显不足，如图2所示。

鉴于原设计方案不能满足设计泄洪的要求，且消力池在通过30 a一遇洪水1 856.2 m3/s时，消力池内水流紊乱，水跃前后波动剧烈，水流大量溢出，原设计方案的边墙高度、池长均不能满足过流要求。因此需要对其体型及尺寸进行优化。

图2 溢洪道消力池设计流量Q=1 856.2 m3/s水流流态

2.2 修改优化方案

试验主要对消力池进行了四种不同方案的试验研究，通过调整池长和边墙高度、改变池深、池内设置辅助消能工等方面进行了研究。每种方案均是在消力池内通过设计流量30 a一遇洪水1 856.2 m3/s，来观测消力池内的水流流态，从而得出最优的修改方案。各试验方案见表2。

表2 溢洪道消力池修改优化方案

2.2.1 方案一试验

将原设计方案的消力池长改为110 m，池深(7.5 m)不变，边墙高度增加到22 m。在通过设计流量1 856.2 m3/s时，水流在消力池内形成淹没水跃，水跃发展充分，漩滚区水流大量掺气，呈乳白状泡沫，跃后区较清晰，水跃跃后断面距消力池端约15 m，池内最大水深19.47 m小于边墙高度，所以没有水流翻出池外。根据掺气水深估算公式，取实测流速值，计算消力池内计入掺气时的水深约为21 m。因此，池长110 m、池深7.5 m和边墙高度22 m可以满足设计泄流要求。但是，根据实际工程地质情况的影响，修建此消力池有一定的难度，并提高了工程造价。因此，还需通过试验进行进一步优化，以减小池长、池深。

2.2.2 方案二试验

有关文献指出[1-4]，消力池内设辅助消能工，在达到同样消能效果前提下，可缩短池长，降低边墙高度，节省工程造价。因此，在方案一的基础上，根据《水力学计算手册》[5]拟定了消力墩尺寸及安装个数，即在消力池进口桩号0+332.66 m处设置了一排(5个)高度3.5 m的梯形消力墩，即为方案二。由试验观测到，在消力池进口加消力墩后，形成强迫水跃，水跃长度明显缩短，约为68 m。但是在墩前位置水流比较混乱，水流溅出水花，池内水面波动较大，然而最大水深有所减小为19.25 m，但仍大于设计边墙高度。

2.2.3 方案三试验

方案二的试验结果表明：在消力池内设置消力墩能有效地缩短池长，但是对边墙高度的减小不大。因此，为了将低边墙高度，解决消力池内的水面波动，进行了方案三的试验研究。

方案三在方案二的基础上，消力墩位置不变，将池长缩短至70 m，池深由7.5 m减小至4.5 m，并在消力池出口护坦上设置高3 m的梯形消能坎，将消力池改成综合式消力池，如图3所示。

图3 方案三溢洪道消力池结构示意图

试验结果表明：溢洪道泄洪量为1 856.2 m3/s时，消力池内形成稍有淹没水跃，陡坡段下泄水流掺气充分，呈乳白色，跃后水面平稳，池长满足要求。消力池后，水面无涌浪，消力墩所在断面水面稍有壅高，池内跃后水深为17.52 m，小于设计边墙高度17.8 m。溢洪道通过三十年一遇洪水时，溢洪道渥奇段至护坦段的水面线与其它修改方案相比，在消力池池长、消力墩尺寸、个数和安装位置相同、池深不同时，降低池深后的消力池内各典型断面的水深明显小于池深降低前(即池深7.5 m)。说明消力池的池深大小对消力池跃后水深的大小起着重要作用，即降低消力池池深可以减小池内水深。

从消力池内流态和经济角度考虑，此方案满足要求。但从结构角度考虑，应注意设置消力墩可能会使消能工产生气蚀问题。有资料表明[6-8]，设置消力墩的消力池入池流速不应超过16 m/s，否则可能引起消能工的气蚀破坏。在本试验中，在消力池设计流量下，墩前(即消力池入口)流速为17.8 m/s(大于16 m/s)。为此，在不同消力墩的墩顶、边壁、斜面和消力池底板上安装测压管量测。结果表明，在设计流量1 856.2 m3/s时消力池底板上最大压强为15.81 m水头，③号消力墩的左侧边墙和②号的顶面均出现了较大的负压，最大负压值为-8.9 m，可能会产生汽蚀导致消力墩空蚀破坏，使消力池不能正常运行。因此，对方案三进行了修改，具体见方案四。

2.2.4 方案四试验

为了避免消力墩发生汽蚀破坏，在方案三的基础上，方案四在陡坡段末端0+325.950 m设置7个梳流趾墩，将消力墩移至0+338.78 m处，消能坎坎高2 m，即“趾墩+消力墩+尾坎”方案，具体布置如图4所示。

试验结果表明：溢洪道泄量为三十年一遇洪水时，趾墩起到了增加阻力、稳定水跃、加大淹没度的作用，消力池内形成稍有淹没水跃，与方案三相比，下泄水流在遇到趾墩时，将水流横向分割，坎上水流呈挑射之势，坎下顺势而下，使水流在进入消力池前就进行了充分扩散，实现了水流的剧烈混掺流态，从而减小了入池水能量。同时，与无趾墩仅安装一排消力墩时相比，消力池内水流流态平稳(如图5)。下泄水流受趾墩的影响，消力池内水深明显降低，跃后水深为16.43 m。受趾墩和消力墩的阻滞作用，消力池的入池流速为13.78 m/s，小于消力池内设置辅助消能工时消力池允许的入池流速16 m/s。在设计流量1 856.2 m3/s时，发现受趾墩的影响消力池底板上大部分测点的压强有所减小。除位于中轴线上的消力墩墩顶产生-3.09 m的负压外，其它消力墩各个面上均为正压。

图4 方案四消力池体型优化图

图5 优化溢洪道消力池设计流量Q=1 856.2 m3/s水流流态

与原设计方案和前三种修改方案相比，方案四在设计流量下有效的改善了消力池内的水流流态，将消力池长度缩短了15%，池深减小了40%，减少了开挖量，节省了工程投资。因此，建议采用方案四“趾墩+消力墩+尾坎”对原设计进行修改。

3 河床冲刷试验研究

对于下游河床冲刷采用散粒体模拟。用散粒体模拟岩基的冲刷，其实质是以模型散粒体冲料起动流速与原型岩基的起始冲蚀流速相似的条件确定模型冲料的粒径。

该试验主要观测了优化方案四在表孔和深孔联合运行时对泄洪冲刷的影响，完成了在设计水位和校核水位两种工况下的冲坑试验。在设计水位条件下，连续放水3.5小时后量测冲坑地形，校核工况在其基础上进行。

试验观测得：优化后的“趾墩+消力墩+尾坎”方案在设计水位1 480 m和校核水位1 481.65 m两种情况下，表孔和深孔联合泄洪时下游河道的冲刷和淤积形态基本相似，只是在校核水位时，冲坑深度相对深一些，淤积范围大一点。在设计水位下，溢洪道下游冲坑起始位置离溢洪道出口较远，距消力池末端75 m，冲坑顺水流方向长173 m，宽52.5 m，最大冲坑深度大约16 m。深孔导流洞冲坑位置起始于弯道出口35 m，偏向右岸，冲坑顺水流向长105 m，宽58 m，最大冲坑深度大约10.6 m。校核水位下，溢洪道冲坑起始位置距消力池末端68 m，冲坑顺水流向长178 m，宽73 m，最大冲坑深度大约24.7 m。因此，方案四“趾墩+消力墩+尾坎”方案有效的解决了溢洪道消力池下游河床整治段的淘刷现象。图6为校核洪水位下游河道冲於地形图。

图6 方案四表孔与深孔联合泄洪校核水位下游河道冲於地形图

4 结语

本文以新疆某水电站溢洪道为例，在原设计消力池方案的池长、边墙高度不能满足三十年一遇洪水1 856.2 m3/s的设计过流量时，对消力池的结构进行了四种修改方案的试验研究：(1)增加池长和边墙高度，达到满足宣泄设计流量1 856.2 m3/s的要求，但是增加了工程造价。(2)消力池进口设一排消力墩，有效的缩短了消力池长度，但对跃后水深的影响不大。(3)消力池进口设一排消力墩，减小池深到4.5 m，消力池出口护坦上设置高3 m的梯形消能坎，降低了跃后水深，消力池内水流平稳，满足要求，但是在消力池进口流速17.8 m/s(大于16 m/s)，已引起消力墩汽蚀破坏。(4)消力池内采用趾墩—消力墩—尾坎的布置方式，能有效的有效减小消力池入池流速、改善池内水流流态、降低跃后水深、缩短消力池长。因此，采用方案四能很好的解决原设计消力池所存在的问题，并降低了工程造价，有效的解决了下游河床冲刷，试验成果对于同类工程设计具有借鉴意义。