新疆阿勒泰柯賽依水電站岸邊溢洪道水工模型試驗(yàn)研究

屠興剛,包中進(jìn)

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 工程概況

柯賽依水電站首部樞紐位于支流塔斯特布拉克與支流拉斯特之間的蘇木達(dá)依列克河中游,太達(dá)雷克木材檢查站上游約6.1 km“S”型河段上;廠區(qū)樞紐位于太達(dá)雷克木材檢查站下游6.1 km處,蘇木達(dá)依列克河中下游右岸,引水線路橫穿阿克代、阿斯勒馬斯山。壩址及廠區(qū)距阿勒泰市約110 km。壩址以上流域面積2 087 km2,水庫正常蓄水位1 170.0m,發(fā)電死水位1 155.0 m,電站裝機(jī)容量100MW,水庫總庫容9 757萬m3,工程等級為三級。

工程主要樞紐建筑物有攔河壩、泄水建筑物、放空建筑物、發(fā)電引水建筑物、發(fā)電廠房及升壓站、支溝引水堰壩和引水隧洞等。工程平剖面見圖1、2。

圖1 工程平面布置圖

溢洪道按照500 a一遇洪水設(shè)計,相應(yīng)下泄流量776 m3/s;5 000 a一遇洪水校核,相應(yīng)下泄流量828m3/s;消能工況按30 a一遇洪水控制,相應(yīng)下泄流量583m3/s。

泄水建筑物為岸邊開敞式溢洪道。溢洪道為岸坡式,位于右岸壩頭,由進(jìn)水渠、溢流堰段、泄槽、挑流鼻坎等組成。

泄洪閘為3孔正堰,每孔凈寬7m,總凈寬21m,采用WES實(shí)用堰,堰頂高程1 163m,設(shè)弧形鋼閘門,基巖為弱風(fēng)化巖。閘室上游進(jìn)水渠底高程1 154m,C20F400混凝土襯砌,厚30 cm,與面板壩相鄰的左側(cè)設(shè)C25W4F400混凝土導(dǎo)墻,右側(cè)設(shè)C25W 6F400混凝土邊墻。閘室下游為泄槽,寬度為26m,總長度115m,底板采用C40F300鋼筋混凝土襯砌,厚度50 cm,兩側(cè)為C25F300混凝土邊墻。泄槽末端接挑流鼻坎,采用C30F300混凝土結(jié)構(gòu),反弧半徑10 m,挑射角25°,挑鼻坎高程1 100m。挑流鼻坎邊坡下游50 m范圍采用C20F300混凝土護(hù)坦保護(hù)。

2 模型設(shè)計

模型設(shè)計按照SL l55—95《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》要求進(jìn)行。模型遵守重力相似準(zhǔn)則,按正態(tài)模型設(shè)計。根據(jù)研究對象特點(diǎn)及研究目的和內(nèi)容,經(jīng)計算分析確定模型幾何比尺Lr=50。

圖2 原設(shè)計方案縱剖面圖

上游水庫模擬至壩前280m,下游河道模擬至下游壩趾后約400m。溢流堰、泄槽、挑流鼻坎、閘墩等主要部位用有機(jī)玻璃精制,上游庫區(qū)及下游河道均嚴(yán)格按設(shè)計提供的圖紙控制放樣,采用斷面板法,水泥砂漿抹面制作。為了了解泄槽的壓力分布情況,在泄槽中心線上布置了1排共11只測壓孔。

3 試驗(yàn)成果

3.1 原設(shè)計方案

3.1.1 泄流能力

試驗(yàn)測試了閘門3孔全開時各級庫水位的下泄流量,水位流量關(guān)系測試成果擬合公式如下:

式中:Q為下泄流量(m3/s);H為堰上水頭,H=Z-1 163(m);Z為庫水位(m)。

各特征工況泄流能力見表1。由表1可知,在設(shè)計和校核工況下,實(shí)測泄流量比設(shè)計分別大7.5%、8.0%,泄流能力能滿足設(shè)計要求。

表1 特征工況泄流能力比較表

3.1.2 進(jìn)口流態(tài)

該工程引水渠較長 (200 m以上),引水渠底板高程設(shè)計為1 154.0m,現(xiàn)狀山坡地形高程約1 180.0～1 120.0m;并且平面布置上與溢流堰軸線存在較大的角度。引水渠右側(cè)為高邊坡,邊坡系數(shù)0.5;為保護(hù)大壩上游面不被水流沖刷,左側(cè)設(shè)導(dǎo)水墻,長度約95m。

照片1 原方案墩尾水翅形態(tài)

在各特征工況下運(yùn)行時,上游進(jìn)水渠流態(tài)均非常平順。主要是因?yàn)橐钶^大,堰頂高達(dá)9m。按照設(shè)計運(yùn)行要求控制最低水位1 170.0m時引水渠水深達(dá)到了16.0m。

試驗(yàn)表明,左側(cè)導(dǎo)水墻頭部水流繞流現(xiàn)象不明顯;校核工況時導(dǎo)墻頭部內(nèi)外側(cè)水位差為0.15 m;導(dǎo)墻內(nèi)外側(cè)水位差最大0.6m,發(fā)生在導(dǎo)墻與閘墩連接處。

水流出閘后,在泄槽內(nèi)形成急流,并在閘墩墩尾形成明顯水翅,原方案設(shè)計工況時水翅長約30m,高約5.5m,對泄槽影響較大(見照片1)。

3.2 推薦方案

3.2.1 工程布置

根據(jù)原方案試驗(yàn),得出模型泄流能力有一定富裕、導(dǎo)墻長度過長等情況,因此試驗(yàn)對引水渠布置進(jìn)行了多組方案的修改。修改的目的是:①優(yōu)化引水渠導(dǎo)墻布置;②減少開挖量;③改善閘墩后的水翅。

最后推薦方案的引水渠布置為:①溢洪道中心線以攔河壩壩軸線右岸控制點(diǎn)為中心,向河道下游旋轉(zhuǎn)5.929°;②引水渠底高程由1 154 m抬高至1 159m;③左側(cè)導(dǎo)墻由原方案的95m縮短至63.5 m,頂高程不變;④中墩墩尾延長一段,增設(shè)樁號溢0+010.00 m到溢0+013.50m段等寬2.5m、高度1.5～0.8m的尾墩。

3.2.2 泄流能力

經(jīng)修改后,試驗(yàn)測試了閘門3孔全開時各級庫水位的下泄流量,水位流量關(guān)系測試成果擬合公式如下:

Q=9.832 9H2+49.148H-30.693

各特征工況泄流能力見表1。由表1可知,在設(shè)計和校核工況下,實(shí)測泄流量比設(shè)計分別大5.1%、5.7%,泄流能力仍能滿足設(shè)計要求。

3.2.3 進(jìn)口流態(tài)

在各特征工況運(yùn)行時,上游進(jìn)水渠流態(tài)均較平順。主要是由于引水渠長度較長、渠底高度較低,距堰頂高程還有4m。引水渠內(nèi)流速分布較均勻。按照設(shè)計運(yùn)行要求控制最低水位1 170m,此時引水渠內(nèi)水深約11m。由于引水渠水深較大、流速小,左導(dǎo)水墻頭部水流繞流現(xiàn)象不明顯,校核工況時,導(dǎo)墻頭部內(nèi)外側(cè)水位差0.30m。

水流出閘后,在泄槽段內(nèi)均為急流,并在閘墩墩尾形成水翅,設(shè)計工況時水翅長約20m,高約2.5m;比原方案時的水翅(長約30m,高約5.5m)有明顯改善,可以較好地減少水翅對泄槽的破壞(見照片2)。

照片2 推薦方案尾墩水翅形態(tài)

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過模型試驗(yàn)得到以下試驗(yàn)成果:

(1)推薦方案引水渠開挖工程量大大 減少。由于左側(cè)高邊坡開挖以及底板開挖工程量大,高邊坡開挖以及開挖后防護(hù)施工難度高,在滿足泄流能力的前提下,適當(dāng)抬高底板高程5.0m,右側(cè)邊界往左側(cè)移動。推薦方案可以節(jié)省開挖量約6.8萬m3。

(2)優(yōu)化了引水渠導(dǎo)墻布置。原設(shè)計方案由于引水渠內(nèi)水深較大,流速較小,所以導(dǎo)墻頭部繞流現(xiàn)象不明顯,設(shè)計的導(dǎo)墻長度95m偏長;推薦方案導(dǎo)墻縮短到63.5m時引水渠內(nèi)流態(tài)仍較好。

(3)優(yōu)化了閘墩墩尾布置。推薦方案在中墩墩尾延長一段,樁號溢0+010.00 m到溢0+013.50m段增設(shè)寬2.5 m、高度1.5～0.8m的尾墩,使得水翅現(xiàn)象比原設(shè)計方案明顯改善,水翅長約20m,高約2.5m(原方案長約30m,高約5.5m)。

4 結(jié) 語

新疆阿勒泰柯賽依水電站溢洪道引水渠長度較長、水深較深,左側(cè)高邊坡開挖以及底板開挖工程量大,高邊坡開挖以及開挖后防護(hù)施工難度高。通過模型試驗(yàn),對工程泄流能力及引水渠流態(tài)、導(dǎo)墻長度、閘墩墩尾水翅等進(jìn)行了研究,驗(yàn)證和優(yōu)化了設(shè)計,為工程決策提供了科學(xué)依據(jù)。試驗(yàn)成果對類似工程具有一定的參考應(yīng)用價值。

[1].南京水利科學(xué)研究院.SL 155—95水工 (常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程[S]..北京:中國水利水電出版社,1995.

[2].屠興剛,徐崗,包中進(jìn).新疆阿勒泰柯賽依水電站溢洪道水工模型試驗(yàn)研究報告[R]..杭州:浙江省水利河口研究院,2011.

[3].李紅英,李文圻,馮家和.觀音巖水電站岸邊溢洪道挑流消能方案試驗(yàn)研究[J]..泄水工程與高速水流,2006(上):94-97.

[4].何曉敏,包中進(jìn),屠興剛.四川省仙女堡水利樞紐工程水工模型試驗(yàn)研究 [J]..浙江水利科技,2006(2):15-17.