雙龍水電站泄水陡坡優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

劉麗秋

（遼寧水利土木工程咨詢(xún)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110180）

1 工程概況

雙龍水電站工程主要由土石壩、泄洪建筑物、引水閘、輸水渠道、壓力前池、消力池、壓力管道和電站廠(chǎng)房構(gòu)成。其中，壓力前池主要由連接段、前室、進(jìn)水室、沖沙閘、泄水排沙閘以及泄水陡坡和側(cè)堰構(gòu)成。泄水陡坡長(zhǎng)全長(zhǎng)964 m，斷面為矩形，矩形底寬 12～20 m，縱坡分別為 1/500、1/3、1/1 000、1/2.755、1/1 000，底板高程 142.5～77.184 m。為防止水流沖刷，泄水陡坡的末端設(shè)置寬度分別為12 m、20 m，池長(zhǎng)分別為 60 m、50 m兩級(jí)消力池，泄水陡坡經(jīng)消力池后投入尾水渠。

2 原設(shè)計(jì)方案分析

2.1 模型的設(shè)計(jì)與制作

這次研究不僅要完成泄水陡坡的整體模型試驗(yàn)，還要局部流態(tài)研究，考慮試驗(yàn)場(chǎng)地因素和SL155—95《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，模型采用的幾何比尺為50[2]。為滿(mǎn)足水流紊動(dòng)阻力相似性需求，模型采用有機(jī)玻璃板制作，高程誤差小于2 mm，平面誤差小于10 mm[3]。水位監(jiān)測(cè)采用DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；斷面流速分布采用DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和畢托管聯(lián)合監(jiān)測(cè)測(cè)量；底板壓強(qiáng)采用采用DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力探頭測(cè)量；水流流態(tài)采用高倍像素相機(jī)拍攝[4]。根據(jù)泄水陡坡的運(yùn)行實(shí)際，選擇設(shè)計(jì)最不利工況（以下簡(jiǎn)稱(chēng)工況1）和排冰排漂工況兩種工況，對(duì)泄水陡坡的流速分布、壓強(qiáng)分布以及水面線(xiàn)和水流流態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)分析。在數(shù)據(jù)采集方面，水位和流速測(cè)點(diǎn)采用等間距布置。

2.2 原設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題

在兩種試驗(yàn)工況下對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，得到方案本身存在如下主要問(wèn)題：在工況1的365 m3/s流量下，泄水陡坡下游一級(jí)消力池內(nèi)水面波動(dòng)比較劇烈，在部分區(qū)域存在水流溢出消力池邊壁的情況。同樣，受到一級(jí)消力池內(nèi)水流波動(dòng)的影響，下游泄水陡坡的緩坡段內(nèi)水流波動(dòng)同樣比較大。在工況2，也就是排冰排漂工況下，流量為52.5 m3/s，在兩段泄槽和消力池交匯區(qū)域存在浮冰堆積現(xiàn)象。針對(duì)一級(jí)消力池水流溢出和水面波動(dòng)較大的問(wèn)題，需要對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化修改，增加輔助消能消波措施。

3 泄水陡坡優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與比選

通過(guò)對(duì)原方案的模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泄水陡坡存在的主要問(wèn)題是在最不利工況下，一級(jí)消力池水流溢出和水面波動(dòng)較大問(wèn)題。因此，需要對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)模型試驗(yàn)分析，以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3.1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

在工況1下，由于大壩上游來(lái)水流量較大，泄槽坡度較陡、水利下瀉速度很快是造成一級(jí)消力池水流溢出和水面波動(dòng)的主要原因。針對(duì)上述原因，提出如下3種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3.1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1

相關(guān)研究結(jié)論顯示[5][6]，消力池尾坎的形態(tài)對(duì)水躍消能和池內(nèi)流態(tài)具有顯著影響。具體而言，通過(guò)對(duì)尾坎形狀的改變，可以有效減小消力池尾坎部位的底部回流對(duì)水面的作用，從而大幅減小水面波動(dòng)?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，優(yōu)化方案1對(duì)原設(shè)計(jì)方案中的一級(jí)消力池尾坎進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原設(shè)計(jì)中的垂直尾坎修改為1∶2的斜坡尾坎，其長(zhǎng)、寬、高分別為12.3 m、12 m和5.5 m，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的尾坎如圖1所示。

圖1 尾坎優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

3.1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2

該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的思路是在一級(jí)消力池內(nèi)設(shè)置懸柵，以改變池內(nèi)水躍的內(nèi)部水流結(jié)構(gòu)，通過(guò)增大水流紊流強(qiáng)度，提高水流的能量損失，進(jìn)而達(dá)到降低水面波動(dòng)的效果[7][8]。結(jié)合消力池的基本結(jié)構(gòu)和原設(shè)計(jì)方案中水面波動(dòng)特點(diǎn)，在消力池內(nèi)的水躍內(nèi)部和尾部分別設(shè)置兩組懸柵。懸柵的水平間距和垂直兼具均設(shè)計(jì)為3 m，長(zhǎng)、寬、高分別為12 m、0.6 m和0.6 m，具體布置如圖2所示。

圖2 池內(nèi)懸柵設(shè)置示意圖

3.1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案3

借鑒相關(guān)的研究成果，在一級(jí)消力池的頂部設(shè)置消波梁，以破碎消力池水躍旋流的表面波，從而有效改善消力池以及下游渠道中水流的水面波動(dòng)強(qiáng)度。具體而言，應(yīng)在距消力池頂部1.5 m的位置設(shè)置12根，間距1.5 m的一排消波梁，消波梁的長(zhǎng)、寬、高分別為12 m、0.6 m和0.6 m，具體布置如圖3所示。

3.2 優(yōu)化方案的模型試驗(yàn)范圍

圖3 消波梁布置示意圖

雙龍水電站一級(jí)消力池彎道之后到二級(jí)消力池之間的渠道長(zhǎng)度為425.8 m，坡度為0.001，渠道較長(zhǎng)且坡度較緩?？紤]到本次優(yōu)化設(shè)計(jì)僅針對(duì)一級(jí)消力池部位，因此在模型試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)范圍定為一級(jí)陡坡的入口帶消力池彎道后60 m的位置，也就是樁號(hào)泄0+94.486到泄0+385.850。

3.3 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1的典型斷面水位流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，通過(guò)對(duì)尾坎形態(tài)的重新設(shè)計(jì)，消力池內(nèi)水躍后半段的波動(dòng)性有明顯降低，但是在泄0+226.50斷面出仍然出現(xiàn)了水位超高現(xiàn)象，水流超出邊壁0.35 m。同時(shí)，由于坡度改變，尾坎處的水流形態(tài)較為平順，從而造成流速變大，在彎道處受離心力作用，致使左岸水位高于右岸水位。

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1水位流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1的典型斷面水位流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，消力池水躍區(qū)的前段水位有所上升，在水流穿過(guò)懸柵時(shí)被分為上下兩股水流然后在懸柵后交匯摩擦碰撞，消耗掉一部分能量，因此水躍的后半段水位下降比較明顯。整體來(lái)看，水位高度沒(méi)有超過(guò)消力池邊壁高度。同樣，由于懸柵的阻礙作用，使得出池流速下降明顯，渠道內(nèi)水流低于邊壁。

表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2水位流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案3

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案3的典型斷面水位流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1水位流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，消力池內(nèi)的最高水位為120.31 m，整體水位低于消力池邊壁。消力池的前半部分形成比較穩(wěn)定的水躍，流速比較均勻，由于在消力池后半部分設(shè)置了一排消波梁，對(duì)水流沖擊起到了有效減弱作用，因此水躍波浪得到均勻分散，水流表面流速有所降低，表面波動(dòng)性明顯變小。在水躍后的過(guò)渡段水流形態(tài)平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生明顯的跌水。此外，由于出池流速較小，彎道及下游水面波動(dòng)也較小。

3.4 優(yōu)化結(jié)論

對(duì)3種擬定的優(yōu)化方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案3的情況下，消力池內(nèi)的最高水位明顯降低到邊壁高度以下，說(shuō)明該方案能夠有效消弱池內(nèi)水面波動(dòng)。因此，認(rèn)為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案3為最優(yōu)方案，推薦在工程設(shè)計(jì)中采用。

4 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)模型試驗(yàn)的方法對(duì)雙龍水電站泄水陡坡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)最不利工況下物理試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題提出了3中優(yōu)化改進(jìn)措施，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比對(duì)，最終推薦優(yōu)化設(shè)計(jì)方案3為最優(yōu)方案。當(dāng)然，這次研究以物理模型試驗(yàn)結(jié)果為主要依據(jù)，并沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算。因此，在后續(xù)研究中有必要利用數(shù)值模擬計(jì)算再次進(jìn)行驗(yàn)證，以全面準(zhǔn)確了解泄水陡坡的水力特征。