| 标题 | 厅子塘电站溢洪道水动力特性研究 |
| 范文 | 韦耀东++马华安++胡开富 摘要：对厅子塘电站溢洪道的泄流能力、消能效率、布置形式进行分析研究，试验测试了泄水建筑物的泄流能力、[JP2]水动力学特性。通过模型试验研究，厅子塘电站泄水建筑物总体布置合理，泄流能力达到设计要求，体型基本合理。最后对溢洪道闸墩体型提出修改意见，经试验所确定的溢洪道闸墩体型比原设计方案的防冲效果有明显的改善。[JP] 关键词：溢洪道；水动力特性；试验模型；防冲 中图分类号：TV32文献标志码：A文章编号： 16721683（2015）002005403 1概述 厅子塘电站位于曲靖市沾益县大坡乡米家村上游2 km处的牛栏江干流上，上距妥乐约15 km，下距厅子塘约14 km。电站坝址控制径流面积为3 045 km2，河道平均坡降214%，多年平均流量为251 m3/s，多年平均年径流量为79亿m3，千年一遇（P=01%）洪水流量为1 620 m3/s，百年一遇（P=1%）洪水流量为1 190 m3/s，50年一遇（P=2%）洪水流量为923 m3/s。坝址多年平均悬移质输沙量为415万t，多年平均推移质输沙量为830万t。多年平均总输沙量为498万t。多年平均悬移质含沙量为041 kg/m3。 大坝枢纽建筑物结合挡水、泄流、冲沙、引水发电等布置，主要由挡水拱坝、河床段布置溢流坝段，左岸布置有导流洞，右岸布置发电引水隧洞、调压井（后接压力埋管）和冲砂底孔，厂区枢纽布置在顺河右岸台地上，主要由主副厂房及升压站组成[1]。 2模型设计 厅子塘电站模型将枢纽泄水建筑物作为整体模型制作，溢洪道按照工程布置一次性制作。并包括设计单位提供的枢纽上、下游与试验内容有关的地形，进行水动力学测试和泥沙试验。 其中上游地形制作坝轴线以上约500 m长的河道硬床地形，高程为1 825 m～河底，用于冲刷试验的承沙区域。枢纽部分包括双曲拱坝坝体，按工程设计布置试验用的泄水建筑物即溢洪道和冲沙洞。下游硬床地形从大坝下游面起，下游长约300 m，河床1770～1760 m等高线做成硬床，1760 m以下到模型底板为动床区，铺设冲坑试验的冲料。 整体模型的下游水力条件为坝址处水位流量关系（表1）进行控制。 表1坝址、水位、流量关系 [ZB（][BHDG3，WK4，WKW]高程/m[]流量/（m3·s1）[HT][ZB）][][] [ZB（][BHDG3，WK4，WKW]高程/m[]流量/（m3·s1）[HT][ZB）][][] [ZB（][BHDG3，WK4，WKW]高程/m[]流量/（m3·s1）[HT][ZB）] 1 738.48[]0[][]1 746[]832[][]1 743[]353 [BHDW]1 739[]9.77[][]1 747[]1 031[][]1 744[]493 [BH]1 740[]57.8[][]1 748[]1 250[][]1 749[]1 477 [BH]1 741[]133[][]1 742[]232[][]1 750[]1 710 [BH]1 745[]653[][]-[]-[][]-[]- 3泄流能力 溢洪道在闸门全开和各种开启高度工况下水位流量关系见表2，泄洪能力满足设计要求，校核洪水位最大下泄流量为1 478 m3/s，设计洪水位最大下泄流量为916 m3/s，正常水位下泄流量为1 063 m3/s。 在校核洪水位1 70875 m，冲沙洞全开最大下泄流量为1221 m3/s，溢洪道和冲沙洞联合泄洪的最大下泄流量为1610 m3/s，泄洪建筑物的泄洪能力已完全满足设计要求。 根据模型验证，当忽略收缩系数时溢洪道的堰流流量系数为043～041，当闸门开度为4～1 m时，流量系数为058～062，其进口和溢流堰的体型、尺寸设计合理，符合设计泄流要求。 表2溢洪道各种闸门开启高度的泄流量 m3/s 上游水位/m[] 闸门开度 全开[]5 m[]4 m[]3 m[]2 m[]1 m []备注 1 801.75[]1 488[]1 112[]903[]685[]457[]225[]校核洪水位 1 801.2[]1 353 [BH]1 801[]1 303[]1 036[]857[]656[]448[]222 1 800[]1 065[]924[]782[]609[]430[]212[]正常水位 [BH]1 799.32[]907724[]574[]414[]207[]设计洪水位 [BH]1 799[]837[][]695[]555[]405[]205 1 798.92[]820[]686[]550[]403[]204[]30年一遇洪水 [BH]1 798[]637[]488[]372[]192 1 797[]453[][][][]325[]172 1 796[]288[][][][]257[]140 1 795[]149[][][][][]107 1 794[]57.2 [BH]1 793[]0 4流态观察 （1）门全开的泄流。[JP] 在水位1 798 m以上，溢流堰进口两边墙处发生急弯性水流斜面，影响范围为3 m，转弯水流与正常水面高差为1～15 m，流态较差，但不影响过流能力。溢流堰以下水流基本平稳，边孔受边墩影响在泄槽能发生冲击波，波长延续到挑坎，最大波高为1～15 m。三个中孔泄槽水流较为平稳。闸墩尾部为设计体型（弧线收缩）时，溢洪道挑流水舌呈扇形扩散[2]。[JP] （2）[JP+1]闸门控制下的泄流。溢流堰进口两边墙处在闸前发生漩涡，影响范围为15～25 m，漩涡中心与水面高差为02～08 m，流态较差，但不影响过流能力。泄槽段流态平稳。[JP] 5水动力特性研究 溢洪道各功能段的水动力因素测试结果见表3，分析主要因素如下。 （1）压力分布正常，堰顶压力无负压，该溢流堰体型及尺寸基本正确；自由泄流时泄槽全段无负压[3]。闸门控制下泄流在抛物线段发生负压，属正常情况。 同一水位下，开度愈小、负压愈大，见图1。其中1 m开度的负压最大。 （2）流速分布基本正常。 （3）空蚀分析。空穴数均为正常值，溢流面不会产生气蚀。 图1溢洪道堰面压力分布 表中空穴数K按式（1）计算： K=[SX（]P+Pa-Pv[][SX（]V2[]2g[SX）][SX）]（1） 式中：P为动水压力；Pa为大气压力（按厅子塘电站所在高程Pa=84 m）；Pv为饱和蒸汽压力（试验水温为10 ℃，取Pv=012 m） [4]。建筑物空穴数的要求如下： K>17时，一般不会发生气蚀；17 （4）水面线。泄槽段水面线均处于闸墩内，因水流掺气而升高的水深也处于闸墩内。底坡及边墙设计基本正确。 断面掺气水深按式（2）计算： hc=h[JB（（]1+[SX（]KV2[]gR[SX）][JB））]（2） 式中：h为净水深；R为按不掺气水流计算的断面水力半径；K为槽壁粗糙度系数，普通混凝土表面采用0004～0006。 溢洪道底板空穴数和掺气水深测试结果见表3、表4为闸门全开时的水动力要素，表5-表8为正常水位时闸门各开度时的水动力要素。 6挑流水舌 6.1挑流水舌形态 溢洪道挑流水舌的主要形态及其造成的下游水流形态见表9。 从表中可知：正常水位泄洪时挑坎水深38 m，Fr=15；下泄校核洪水时挑坎水深43 m，Fr=18。反弧半径的适宜值为R/h1=6～10，设计采用反弧半径偏小。 （1）溢洪道结构设计比较紧凑，溢洪道挑坎设计为射角13°的连续坎，反弧半径10 m。从流量变化与射程的关系可以看出，挑坎对于挑流的射程贡献不大，射程基本上在一个较小的范围内变化。水舌形态比较接近瀑布射流，挑流形态不明显。水股呈集中形态，对河床冲刷力较大。 （2）射流在下游河道中形成消能流态，水舌在河面造成强烈的悬滚流，最长可达26 m。 （3）下泄水流起挑水位为1 7938 m；终挑水位为[JP2]1 79345 m。可见挑坎是很容易形成射流的。由于挑坎距大坝很近，在实际操作中应充分利用闸门控制，一次起挑成功。[JP] 6.2闸墩尾墙对挑流水舌的影响 溢洪道闸墩尾墙为弧线收缩，挑坎位于弧线收缩段，水流挑出后发生扇形扩散，扩散水流最宽可达10～15 m。冲沙洞挑流水舌与溢洪道挑流水舌距离较近，在两个泄水建筑物同时泄洪时，两股挑流水舌最近距离为6～8 m。溢洪道挑流的扇形扩散面可以使水流落在冲沙洞建筑物上，影响冲沙洞及其挑流水舌的正常运行[5]。 由于扇形扩散面过大，水流扫射的区域大，已经撒落到坝下两侧山体上，影响岸坡稳定。 7结论及建议 （1） 溢洪道各段流态基本平稳，在各种闸门开度泄洪时不会发生气蚀现象。 （2）溢洪道进水口处于开阔水面，泄流时河势为1/4球体汇流，侧边有侧向进水。两侧闸墩的迎水面设计为半圆，外边墙为直墙，形成水流直角拐弯，对于溢洪道进水不利，因此发生急弯性水流斜面，流态较差。 建议两侧闸墩的迎水面设计为圆柱形，[JP2]外边墙的挡水墙位于圆柱形后，可以改善进水条件，减少急弯性水流斜面，纠正流态。修改为圆柱形后，转弯水流与正常水面高差为[JP]04～08 m，流态得到一定改善，泄槽内冲击波消失，堰面水流相对平稳。 （3） 墩尾收缩引起的水舌扩散，对于挑流消能无影响，但影响岸坡。建议改为直墙，以约束水舌。通过模型修改后观察流态，相邻的两股挑流水舌互不影响，流态较好，泄水运行正常。 为了使溢洪道在多种闸门组合调度时都有较好的流态，建议全部闸墩尾均修改为直墙。修改后测试，水舌已不再向外扩散。 |
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