雙江口水電站溢洪道進口導墻體型優(yōu)化試驗

王 川，潘 露

(1. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072;2. 四川水利職業(yè)技術學院，四川 成都 611231)

1 概 述

引渠位于溢洪道首部，是溢洪道的重要組成部分，其主要作用是引導水流順利進入閘室。常見的引渠導墻型式有直線型、圓弧型及橢圓弧型，導墻型式對溢洪道水流流態(tài)有著至關重要的影響[1]。因此，在進行溢洪道進口導墻設計時，需選擇合適的導墻類型，使引渠內水流平順、無較大水面波動，以便溢洪道能夠達到最佳的泄洪能力[2]。

目前，關于溢洪道進口導墻體型優(yōu)化的研究成果較多，如周蘇芬等[3]通過模型試驗提出了適用于岸邊式溢洪道的黃金分割比橢圓弧直墻方案；郭觀明等[4]結合數(shù)值模擬和模型試驗研究了不同體型溢洪道進口導墻對水流流態(tài)及閘孔泄流能力的影響，提出了直線圓弧組合型導墻型式；王均星等[5]通過模型試驗比較了9種進水口曲線型式，得出了長短軸黃金分割比的橢圓弧面導墻方案，并對該方案下的溢洪道泄流能力進行了進一步的試驗驗證，取得了良好效果。因此，筆者在前人研究的基礎上，以雙江口溢洪道進口導墻為例，通過水力學模型試驗對五種導墻布置方案下的溢洪道進口段水流流態(tài)進行了對比分析，選出了最適宜的橢圓型直墻體型方案，其研究成果對其他類似工程具有借鑒意義。

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內，是以發(fā)電為主的大型電站，壩址處控制流域面積為39 330 km2。電站采用大壩、首部地下引水發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)方式。水庫正常蓄水位2 500 m，校核洪水位2 504.42 m，死水位2 420 m。水庫總庫容約28.97億 m3，電站總裝機容量2 000 MW，多年平均年發(fā)電量約77.07億kWh。壩型為土質心墻堆石壩，最大壩高312 m。

雙江口水電站樞紐主要建筑物包括土質心墻堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、一條洞式溢洪道、一條深孔泄洪洞、一條豎井泄洪洞和一條放空洞。其中，洞式溢洪道由進口段、無壓洞段、明槽段和出口挑流鼻坎段組成，總長度2 172.2 m。縱剖面采用“龍落尾”型式。進口平面呈對稱的喇叭形，底板高程為2 470 m，最小寬度16 m，導墻與岸坡相連，導墻由直墻漸變?yōu)橘N坡式。溢洪道進口布置情況見圖1。

圖1 溢洪道進口布置圖

2 模型設計

模型按重力相似準則設計，采用正態(tài)單體模型，模型比尺為1∶45。筆者主要對溢洪道閘門全開條件下的進口段水流流態(tài)進行研究。

原方案溢洪道進口引渠導墻為直墻漸變貼坡式斜墻型式。溢洪道泄流過程中，閘室進口兩側水流經過斜墻扭面與直墻過渡段時產生嚴重的繞流現(xiàn)象，導致閘室及下游無壓洞上平段水面波動較大，產生一系列菱形沖擊波。溢洪道進口段水流流態(tài)見圖2。

圖2 原方案溢洪道進口水流流態(tài)

3 溢洪道進口水流流態(tài)的優(yōu)化

原設計方案中繞流現(xiàn)象嚴重，水面波動較大。主要原因是進口導墻采用直墻漸變貼坡式斜墻設計使水流在復雜的邊界條件影響下，斜墻扭面與直墻過渡段產生繞流，導致閘室及下游無壓洞上平段左右兩側水流不對稱，水面出現(xiàn)較大波動。為改善溢洪道進口水流流態(tài)，提高溢洪道泄流能力，需對導墻體型進行修改。

3.1 導墻優(yōu)化布置方案

試驗共采用了表1的四種優(yōu)化方案，將溢洪道進口導墻由斜墻改為直墻，左右側導墻采用相同體型，對導墻的不同型式和長度進行了對比。各方案體型布置見圖3。

3.2 水流流態(tài)分析

圖4為優(yōu)化方案溢洪道進口水流流態(tài)。從圖4可以看出，在進口導墻采用直墻型式后，水流流

方案一

方案二

方案三

方案四圖3 溢洪道進口導墻優(yōu)化布置圖

態(tài)得到改善，基本能夠消除原方案斜墻扭面與直墻過渡段產生的繞流現(xiàn)象，但不同方案的改善效果不同。

方案一：水流流經墩頭處產生較明顯繞流，導墻內外側出現(xiàn)較大水位差，同時墩頭處繞流引起的水流紊亂發(fā)展至閘室，閘室內水面出現(xiàn)較大波動。方案二：水流流經導墻墩頭處時水流平順，但兩側導墻仍存在繞流，引渠及閘室中部與兩側邊墻有明顯的水位落差。方案三：在方案二的基礎上增加了導墻長度，水流流態(tài)有所改善，水面波動范圍減小，但仍未完全消除擾流現(xiàn)象。方案四：引渠及閘室內水流趨于平順，完全消除了擾流及水面波動等不良流態(tài)。對比四種優(yōu)化方案，橢圓弧導墻較圓弧型導墻對水流流態(tài)改善效果更好。對比方案二和方案三，導墻越長對流態(tài)改善越明顯，但在此開口寬度下仍存在繞流現(xiàn)象。方案四在增加導墻長度的基礎上增加了開口寬度，對進口引渠及閘室內水流流態(tài)改善最為明顯。

表1 優(yōu)化布置方案

3.3 泄流能力的分析和比選

針對原方案及四個優(yōu)化方案，分別在正常蓄水位2 500 m和校核洪水位2 504.42 m工況下進行了對比試驗。溢洪道閘門全開時各試驗方案的下泄流量見表2。

方案一

方案二

方案三

方案四圖4 優(yōu)化方案溢洪道進口流態(tài)圖

表2 溢洪道下泄流量 單位：m3/s

從表2的數(shù)據可知：將原方案導墻從直墻漸變貼坡式斜墻改為直墻后，方案一到方案四的泄流能力均有不同程度的提高。分別將四個優(yōu)化方案同原方案進行對比，在相同庫水位時，方案四的下泄流量相較于原方案增加最大，分別增加了138 m3/s、207 m3/s。方案一采用圓弧型直墻，其下泄流量對比原方案僅增加了18 m3/s、25 m3/s，優(yōu)化效果不明顯。后三種方案均采用橢圓型直墻，其泄流能力較原方案均有較大提高。由于僅增加導墻了長度，方案三溢洪道下泄流量對比方案二提高較少，方案四在方案三的基礎上增加了開口寬度，使泄流能力得到進一步提高。從以上分析結果可知：方案四導墻體型不僅能夠改善水流流態(tài)，還能使泄流能力得到明顯提高，因此建議將方案四作為推薦方案。

4 結 語

雙江口水電站溢洪道進口導墻體型優(yōu)化試驗結果表明：溢洪道進口導墻采用直墻型式可基本消除原方案斜墻扭面與直墻過渡段產生的繞流現(xiàn)象。相較于圓弧型導墻，進口導墻采用橢圓型導墻對流態(tài)改善效果更好。適當?shù)卦黾訖E圓型導墻段長度和開口寬度以使引渠內水流得到充分的調整，可完全消除導墻墩頭處產生的繞流現(xiàn)象，明顯改善水流流態(tài)，提高溢洪道泄流能力。