某水电站深孔泄洪洞流态及泄洪试验研究

高 尚

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

某水电站水库总库容2.07亿m3，工程主要任务为发电，原电站总装机容量为135 MW，扩机后电站总装机容量为180 MW。工程为大（2）型Ⅱ等工程，其中混凝土面板坝为1级建筑物；表孔溢洪道、深孔排砂泄洪洞为2级建筑物；发电引水洞、电站厂房为2 级建筑物。电站水工建筑物按Ⅷ度地震烈度设防。

水电站扩机容量为45 MW，由于扩机机组主厂房与原电站厂房相通，共用一个安装间和桥机，且扩机机组发电用水来自原有水库，因此，扩机工程等别与原工程一致。扩机工程主要包括：深孔泄洪洞改造、深孔下游端新建闸井（包括进入闸井的交通洞）、新建发电洞、新建电站厂房等。

考虑到深孔泄洪对电站引水的影响，因此新电站的运行方式为：深孔泄洪，机组不发电；机组发电时，深孔不泄洪；深孔泄洪洞新建工作闸井的弧门采用全开、全闭的运行方式。

原深孔泄洪洞进水口位于发电引水洞右侧，其轴线与发电洞上平洞隧洞段的轴线平行，进口底板高程902.0 m，低于发电洞底板高程15.0 m。原深孔泄洪洞泄洪方案采用无压泄流方式，若从深孔泄洪洞引水发电，需将深孔泄洪洞由无压洞改建为有压洞。主要改建部位如下：

（1）引渠段。引渠底板高程902.0 m，宽9.5 m，长46.402 m，底板采用0.5 m 厚C15 混凝土衬砌，两侧边坡1∶0.3，每10.0 m 设一马道，马道宽2.0 m，引渠边坡采用喷锚支护，网喷混凝土厚度10 cm。

（2）深孔进口检修门闸井段。闸井长26.0 m，宽9.5 m，闸井底板高程902.0 m，底板厚2.5 m，闸井顶部高程960.0 m，闸井内设4.5 m×6.5 m（宽×高）事故检修门和4.5 m×5.0 m（宽×高）弧形工作门各1扇。

（3）洞身段（部分改建）。闸井后洞内渐变段长10 m，由方型4.5 m×5.0 m（宽×高）渐变至城门洞型5.5 m×7.0 m（宽×高），顶拱面120°，渐变段后与“龙抬头”洞身衔接，“龙抬头”洞身在桩号0+155处通过渐变段与下平洞衔接，下平洞断面为城门洞型，尺寸7.5 m×9.0 m（宽×高），衬砌厚度均为0.6 m。洞身改建部分由桩号0+165.012开始，到桩号0+478.012新建工作闸井为止，全长313.0 m，在原设计洞内增设一层0.3 m厚C25钢筋砼衬砌，过流底板为C40硅粉混凝土。

（4）工作闸井段（新建）。新增设的工作闸井长17.0 m，宽10.1 m，高35.0 m，考虑到深孔泄洪洞的泄流能力与原设计保持一致，采用弧形工作闸门，尺寸为5.5 m×4.0 m（宽×高）。在工作闸井启闭机高程设置一条交通洞与深孔泄洪洞出口路相连，施工期作为施工洞，运行期作为工作闸井的交通洞。交通洞为城门洞型，全长65.0 m，洞径为4.5 m×5.0 m（宽×高），衬砌采用喷C25砼，厚度为5.0 cm。

（5）出口明渠。出口明渠为整体式矩形断面，底宽7.0 m，侧墙高6.8 m，纵坡i=0，采用C25钢筋混凝土衬砌，底板衬厚均为1.0 m，侧墙衬厚为0.5～1.0 m。

水电站经扩机改建后，原泄洪洞的运行方式发生改变，需制定新的安全泄洪度汛方案。水工模型试验的主要工作为量测深孔泄洪洞下游工作闸门全开与局开情况下的泄流能力，观测不同水位、工作闸门不同开度情况下，进水口漩涡流态、闸室段进气与否，以及洞顶沿程流态变化情况。

2 水工模型试验

2.1 模型设计

模型按重力相似准则设计，并且满足几何相似、运动相似与阻力相似。模型比尺为1∶30，模型流量比尺、流速比尺、时间比尺、糙率比尺分别为4 929.00、5.48、5.48、1.76。

模型装置如图1所示，上游为钢水箱，泄洪洞全长约18.0 m，包括进口闸井段、渐变段、渥奇段、反弧段、改建洞身段与顶拱衬砌段、分岔段、改建洞身段、出口闸井段、顶拱衬砌段、明渠段、护坦段，下游接天然河道。

试验研究主要量测参数包括水位、流量、流速、高程、漩涡流态等，主要测试仪器设备包括电磁流量计、高精度电磁流速仪、测压排、水下摄像头等。

2.2 试验工况

试验工况如表1 所示。试验过程中，依据各工况条件，针对工程现状布置方案，开展掺气流态复核研究，量测各种运行水位条件下，弧门安全开启高度及其相应的泄量，为工程安全度汛提供参考。

表1 试验工况

3 试验结果分析

3.1 深孔泄洪洞进气流态分析

采用水下摄影方式，观察不同运行方式下，泄洪洞上游闸室内流态变化（见图2）。在死水位930.5 m，电厂发电最大引水流量172.2 m3/s条件下，泄洪洞上游闸井与下游引水岔管内流态稳定，上游闸室段弧门通气井内水位较高，未发生掺气，泄洪洞内沿程流态均处于满流状态。

3.2 死水位泄洪工况下游弧门开度的影响

在死水位930.5 m 泄洪工况下，进行弧门开度变化下流态试验，结果见表2和图3。

表2 特征水位泄洪工况下游弧门开度影响

试验结果表明：

（1）当下游弧门开度达到3.18 m 时，上游闸室内水位下降至竖井段下缘，此时水面平稳，无掺气现象发生。

（2）当下游弧门开度达到3.30 m 时，闸室内水位下降至斜坡段，水面开始波动，但仍未发生进气现象。

（3）当弧门开度达到3.45 m 时，闸室内水位接近胸腔段下缘，此时水面波动明显，水体表面部分掺气，但未进入泄洪洞内。

（4）当弧门开度达到3.48 m 时，闸室内水位位于胸腔段下缘，由于水面剧烈波动，表面掺气进入泄洪洞下游，形成连续不断的气囊，在下游闸室内形成气爆现象，故须防止此情况出现。

3.3 特征水位泄洪工况下游弧门开度的影响

针对正常水位955.0 m、设计水位956.58 m泄洪工况，分别进行弧门开度变化下流态观察试验，结果见表2和图4。

试验结果表明：

（1）正常水位955.0 m条件下，当弧门开度3.72 m时，上游闸井内水位位于竖井段下缘附近，水面平稳，无掺气发生。

（2）正常水位955.0 m条件下，当弧门开度3.78 m时，上游闸井内水位位于斜坡段，此时水面明显波动，表面发生掺气，但未进入泄洪洞下游。

（3）正常水位955.0 m条件下，当弧门开度3.81 m时，上游闸井内水位位于胸墙段下缘，水面波动剧烈，偶有气体卷入泄洪洞下游。

（4）在设计水位956.58 m 条件下，当弧门开度3.75 m时，上游闸井内水位位于竖井段下缘，水面平稳，无掺气发生。

（5）在设计水位956.58 m 条件下，当弧门开度3.78 m时，上游闸井内水位降至斜坡段中部，水面略有波动，但仍无掺气发生。

（6）在设计水位956.58 m 条件下，当弧门开度3.81 m时，上游闸井内水位位于胸墙段下缘，水面波动剧烈，偶有气体进入泄洪洞下游。

在水库死水位930.5 m、设计水位956.58 m 扩机机组运行工况下，泄洪洞与引水分叉段水流流态良好。但在泄洪工况下，泄洪洞工作弧门全开时，洞内会出现明满交替流动，不能形成有压流动结构。经分析，泄洪洞原工作闸室在改建中未进行封闭处理，在泄洪洞全开运行中成为进气通道，是导致洞内流态恶化的主要原因。现状泄洪洞的布置体型，需要工作弧门局部开启进行控泄，才能确保泄洪洞内形成有压流水流结构。

3.4 泄洪洞安全度汛运行方式

鉴于现状泄洪洞目前只能采用局部开启的运行方式，下泄能力有一定幅度的降低，为顺利完成建设期汛期度汛任务，需要尽快制定泄洪洞安全度汛方案。为保证泄洪洞运行安全，上游闸室内水位需高于竖井段下缘1.0 m。按照上述原则，通过试验得到上游库水位～下游闸室段弧门开度～泄量之间的对应关系，结果如图5、图6所示。根据试验结果实施泄洪洞改建施工工作，各特征水位条件下弧门运行开度见表3。

表3 水库不同水位下，弧门运行开度及其泄量

945.0 947.5 950.0 952.5 955.0 956.56 957.83 870.313 870.313 870.313 870.313 870.313 870.313 870.313 3.47 3.54 3.60 3.65 3.70 3.72 3.73 71.21 73.64 76.08 78.53 80.99 82.53 83.78 0.651 0.656 0.660 0.662 0.662 0.661 0.660 465.1 486.0 505.1 522.0 536.4 544.0 549.3正常水位设计水位校核水位

4 结语

（1）在水库死水位930.5 m、设计水位956.58 m扩机机组运行工况下，泄洪洞与引水分叉段内均为满流状态。但泄洪工况下，下游工作弧门全开时，泄洪洞内会出现明满交替流动，无法形成有压流动结构。

（2）泄洪洞原工作闸室在改建中未进行封闭处理，在泄洪洞全开运行中成为进气通道，是导致洞内流态恶化的主要原因。现状泄洪洞下游弧门需要局部开启进行控泄，才能确保洞内形成有压流水流结构。

（3）鉴于现状泄洪洞采用局部开启方式，下泄能力有一定幅度的降低，为顺利完成汛期度汛任务，需尽快制定泄洪洞防洪度汛预案。为此，通过模型试验，给出了泄洪洞现状体型下，上游水位～下游弧门开度～泄量之间的对应关系，可供运行单位参考。

（4）下一步拟针对泄洪洞上游闸室封闭方案开展对比研究，以期进一步降低泄洪洞闸门全开时上游临界最低水位，保证工况运行安全。