四川省官帽舟水電站泄洪建筑物水工模型試驗研究

戴涓 黃連芳 劉明

摘要：為驗證四川省官帽舟水電站溢洪道和泄洪洞布置方案的合理性，通過水工模型試驗，研究了該水電站的進水條件、泄洪能力、挑流消能效果及沖坑范圍等。同時，根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化了墩尾及閘室、挑流鼻坎結(jié)構(gòu)型式及下游右岸邊坡開挖支護方案。結(jié)果表明：官帽舟水電站溢洪道和泄洪洞進出口流態(tài)穩(wěn)定，泄流能力滿足設(shè)計要求;優(yōu)化后的方案更加安全合理，有效減少了開挖工程量并降低了項目成本。

關(guān)鍵詞：溢洪道;泄洪洞;水工模型試驗;泄流能力;官帽舟水電站

中圖法分類號：TV135.2 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.018

文章編號：1006 - 0081（2021）12 - 0101 - 06

0 引 言

泄洪建筑物是樞紐的重要組成部分，是保障樞紐工程安全的關(guān)鍵性建筑物。四川省官帽舟水電站地處高山峽谷，河面狹窄，合理選擇泄洪建筑物型式及組合是樞紐布置中的關(guān)鍵內(nèi)容。由于官帽舟水電站壩址河床狹窄而洪水流量大，若設(shè)置溢洪道單獨泄洪，下游消能壓力較大，集中沖刷對邊坡穩(wěn)定不利。為了工程的安全運行，選定溢洪道和泄洪放空洞共同泄洪的方案為推薦泄水建筑物布置方案，溢洪道和泄洪放空洞均布置在右岸。經(jīng)方案設(shè)計，官帽舟水電站溢洪道軸線與泄洪洞軸線基本平行，進水口均布置于右壩肩上游側(cè)，僅相距46 m，出口共用出水渠?？紤]到溢洪道和泄洪洞為樞紐僅有泄洪建筑物，運行過程中存在流量大、運行工況復(fù)雜、啟用頻繁、出流挑射水舌相互影響等因素，本文開展了溢洪道和泄洪洞整體水工模型試驗和局部動床模型試驗，以驗證樞紐溢洪道和泄洪洞布置方案的進水條件、泄洪能力、挑流消能效果及沖坑范圍等。

1 工程概況

官帽舟水電站位于四川省樂山市馬邊縣境內(nèi)，是規(guī)劃的馬邊河干流7級開發(fā)方案的龍頭水庫電站。工程任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧下游減水河段生態(tài)環(huán)境用水，并結(jié)合汛期水庫蓄水提高下游防洪能力和改善農(nóng)業(yè)灌溉條件。電站正常蓄水位674 m，總庫容9 733萬m3，調(diào)節(jié)庫容5 730萬m3，采用混合式開發(fā)，裝機容量12萬kW，多年平均發(fā)電量4.761億kW·h，可增加下游梯級電站枯期水電量1 655萬kW·h，電站建成后向四川省電網(wǎng)供電。

溢洪道布置在右岸，由進水渠段、閘室控制段、泄槽段及挑流消能工組成，全長510.973 m。采用2孔弧形閘門，其閘孔尺寸為14 m×12 m。溢流堰為WES實用堰，堰頂高程為662 m，閘墩頂厚度為3 m，順水流流向長度為33 m。泄槽段采用矩形泄槽，控制段后采用左右對稱收縮，收縮角取4°，收縮后槽寬為28 m，順水流流向平面長度為238.67 m，泄槽坡度為單一坡度1∶4.2。采用挑流鼻坎消能，坎頂高程為596 m，順水流流向平面長度為24.4 m。

泄洪洞結(jié)合導流洞布置，其軸線與溢洪道軸線平行，距離溢洪道軸線右側(cè)32 m。檢修閘門井與工作閘門井并列布置在溢洪道進水渠上游的泄洪洞軸線上。泄洪洞包括喇叭進水口、有壓圓形洞、閘門井段、龍?zhí)ь^段、結(jié)合導流洞段和出口消能段。有壓段洞徑為7.5 m，順水流向長度為197.234 m。閘門井底板高程為620 m，井頂高程為679 m。閘門井后無壓段采用7.5 m×11.5 m城門洞形，其中龍?zhí)ь^段長度為122.12 m，結(jié)合導流洞長度為259.04 m。出口底板高程為584 m，采用挑流鼻坎消能。官帽舟水電站平面布置見圖1。

2 試驗設(shè)置

模型試驗主要研究溢洪道、泄洪洞在各種工況下的泄流能力、進出口流態(tài)、調(diào)節(jié)溢洪道、泄洪洞閘門開度及開啟方式、下游沖坑形態(tài)等，并針對不合理的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 模型試驗工況

根據(jù)試驗內(nèi)容設(shè)定了3種工況，如表1所示。

2.2 水工模型制作

水工模型試驗采用正態(tài)水工整體模型，按弗汝德重力相似準則設(shè)計[1-4]，幾何比尺選定為1∶50（長度比尺λL=高度比尺λh=50），流量比尺[λQ=λ2.5L=17 678]，流速比尺[λv=λ0.5L=7.07]，糙率比尺[λn=λ16L=1.92]。溢洪道采用有機玻璃制作，有機玻璃表面糙率約為0.008，換算到原型后糙率為0.015。下游河床按挑流水舌可能覆蓋范圍進行動床模擬，動床鋪設(shè)的散粒體粒徑采用伊茲巴斯公式計算[5-6]。

[v=（5～7）D]

式中：v為抗沖流速，m/s;D為散粒體粒徑，m。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 泄流能力

3.1.1 溢洪道、泄洪洞單獨敞泄

溢洪道、泄洪洞分別單獨敞泄的泄流能力試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比如圖2～3所示，可以看出溢洪道和泄洪洞單獨泄洪的試驗泄流能力均略大于各自的計算泄流能力，說明滿足設(shè)計要求。

3.1.2 溢洪道和泄洪洞聯(lián)合泄流

溢洪道和泄洪洞聯(lián)合泄流時，試驗水位與設(shè)計水位對比結(jié)果見表2。

下泄流量Q=4 170 m3/s（P=0.05%）時，設(shè)計水位與試驗水位的差值達到1.05 m，溢洪道、泄洪洞聯(lián)合運行時宣泄校核洪水流量尚有一定余地;100 a一遇洪水（P=1.00%）下泄流量Q=2 750 m3/s時，試驗測得庫水位值為672.41 m，比設(shè)計計算值低0.28 m;30 a一遇洪水（P=3.33%）下泄流量Q=2 236.5 m3/s時，溢洪道控泄，閘門開度約為2.5 m。各種工況下泄能力均能滿足設(shè)計要求。

3.2 進口段流態(tài)與墩尾及閘室優(yōu)化

（1）溢洪道進水渠導墻型式設(shè)計合理，進水渠水流過渡流暢平順，導流效果良好。進水渠周邊壩面水流底層流速一般均小于1.0 m/s，不會對壩面造成沖刷，開挖平臺左側(cè)導墻頭部附近流速達到3.6 m/s，建議對此處采取適當防護。

（2）原設(shè)計方案溢洪道堰面及控制段閘室的水流形態(tài)均比較平順，但墩后產(chǎn)生了強烈的菱形沖擊波。通過優(yōu)化將墩尾改為尖尾型式，墩后流態(tài)得到有效改善，可降低墩后菱形沖擊波的強度。

（3）在庫水位大于死水位時，泄洪洞進口流態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)漩渦，泄洪洞進口布置型式滿足泄洪運行要求。

3.3 出口流態(tài)與挑流鼻坎型式優(yōu)化

3.3.1 出口流態(tài)

敞泄時射流挑距及下游水位見表3，當流量為2 750 m3/s時，溢洪道、泄洪洞出口流態(tài)見圖4。

從表3及圖4可以看出，隨著下泄流量增大，溢洪道、泄洪洞射流挑距以及射流橫向擴散程度都呈上升趨勢，溢洪道、泄洪洞出口流態(tài)穩(wěn)定。

3.3.2 挑流鼻坎優(yōu)化

試驗測得敞泄時挑流鼻坎起挑流量約200 m3/s，縮挑時約150 m3/s，溢洪道挑流鼻坎設(shè)計基本能夠滿足水庫運行要求，但存在泄洪洞下泄水流沖刷右岸開挖坡腳現(xiàn)象，需對挑流鼻坎的體型尺寸進行改進。通過多方案比較試驗后確定了調(diào)整方案：挑坎出口斷面12.0 m，挑角為35°，反弧半徑約為44 m，出口型式改為差動式并且采用3 m寬40°挑角、反弧半徑約為39 m的差動墩。同時，對下游右岸開挖邊坡線做了相應(yīng)改進，在樁號0+480.2處繼續(xù)沿設(shè)計直線向前延伸至樁號0+547.2處為止;將泄洪洞右邊墻出口處作為下游開挖坡腳線的起點，與原設(shè)計開挖線樁號0+417.2處直線連接，作為新的開挖坡腳線。優(yōu)化后下游水流流態(tài)更順暢，開挖工程量有效減小，項目工程成本也有所降低。

3.4 閘門調(diào)度

3.4.1 溢洪道閘門調(diào)度

設(shè)置上游水位保持674.00 m不變，溢洪道閘門開度與流量關(guān)系曲線見圖5。

如圖5所示，當溢洪道閘門開度為1.0～2.0 m小開度狀態(tài)時，閘門前水面比較平穩(wěn)，無明顯不利流態(tài)出現(xiàn)，屬于穩(wěn)定孔流;當溢洪道閘門開度為3.0～8.0 m時，閘門和閘墩之間開始出現(xiàn)小的立軸漩渦，夾雜氣泡的漩滾水流;當溢洪道閘門開度從9.0 m增加到12.0 m的過程中，閘門底緣與水面脫離，下泄水流形成穩(wěn)定的堰流。

設(shè)置閘門開度保持不變，上游水位在汛限水位至正常蓄水位之間變動時，觀測閘孔流量，試驗共測得溢洪道閘門8個不同開度時的水位與流量關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，同一開度下，閘孔流量隨著上游水位的增加而增大;同一水位下，閘孔流量隨著閘門開度的增大而增加，試驗結(jié)果規(guī)律性較好，曲線圓滑。

設(shè)置正常蓄水位工況下，溢洪道不對稱全開1號（或2號）孔時的流態(tài)見圖7，溢洪道同時對稱開1號和2號孔時的流態(tài)見圖8。

由圖7～8可以看出，溢洪道不對稱開時，下泄水流的水流紊動強烈，水面波動明顯;對稱開時，出口斷面水流分布比較均勻，射流挑距從左向右變化不大，水流疊加水域內(nèi)水流紊動情況及水面波動情況均有所改善。

3.4.2 泄洪洞閘門調(diào)度

在汛限水位665.00 m的工況下，當泄洪洞閘門開度為0～2.0 m時，泄洪洞平緩段發(fā)生水躍，隨著開度的增大，水躍逐漸向下游推進，但不能形成挑流;當開度達到3.0 m時，泄洪洞內(nèi)水躍被推出隧洞，形成挑流。因此，建議汛限水位下運行時，閘門開度要大于3.0 m，并盡快縮短開啟閘門時間，以減少隧洞出現(xiàn)不利流態(tài)的時間。

3.5 流態(tài)分析

溢洪道各部位水深大致沿程遞減，菱形波的角度隨著下泄流量的增加而增大，沖向右側(cè)的角度略大于向左側(cè);流速最大值出現(xiàn)在挑流鼻坎反弧段;溢洪道、泄洪洞各部位水壓力高程均高于其測點高程，沒有出現(xiàn)負壓。

3.6 空化空蝕

當槽底和槽壁平整度得到嚴格控制時，溢洪道、泄洪洞泄槽水流空化數(shù)和初生空化數(shù)的比值較大，發(fā)生空化的可能性不大，空蝕破壞的可能性較小。反之，當槽底和槽壁平整度得不到嚴格控制時，發(fā)生空化的可能性較大。因此，建議采用高標號混凝土，尤其在陡槽末端、反弧段及挑流鼻坎等部位應(yīng)采用高強度耐磨抗蝕混凝土。

3.7 下游沖坑

下游局部沖坑的試驗數(shù)據(jù)見表4，30 a一遇、100 a一遇及2 000 a一遇洪水下游沖坑形態(tài)見圖9～11。

結(jié)合表4及圖9～11數(shù)據(jù)可以看出，在下泄流量=2 236.5 m3/s工況下，溢洪道和泄洪洞出口前出現(xiàn)明顯的各自沖坑，最大沖深約為12 m;在Q=2 750.0 m3/s工況下，溢洪道和泄洪洞的沖坑基本合并，沖刷深度和范圍比30 a一遇洪水工況的沖坑大一些，下游河道沖坑最大沖深約為14 m;在Q=4 170.0 m3/s工況下，沖坑形態(tài)不同于前兩種工況，由于下游防沖水位（597.26 m）抬高，水墊深度增大，下泄流量大時，水舌入水角減小，射流入水后向河道下游推力增強，造成河床大范圍沖刷，但沖刷深度增加不大，溢洪道前沖坑最大沖深約為16 m，各種工況的下游沖刷坑基本穩(wěn)定。

3.8 下游影響分析

在試驗工況下，受下泄水流影響，生態(tài)電站尾水區(qū)出現(xiàn)回流，最大流速均在1.5 m/s以內(nèi)，水深約為8.4～11.7 m，水面波動在0.4～1.2 m之間。

在Q=2 750.0 m3/s設(shè)計流量下，左岸溢0+338.3 m及右岸溢0+420 m處流速達到4.32 m/s，由于此處沒有采取防護措施，可能會存在一定的沖刷，建議向上游延長防掏墻或修建防護工程;獅子大橋前左岸流速大于右岸流速，左岸表層流速為4.97 m/s，右岸表層流速為1.38 m/s，對大橋安全威脅不大。

4 結(jié) 語

針對官帽舟水電站溢洪道與泄洪洞進口距離較近、出口共用出水渠、挑射水舌相互影響等情況，通過水工模型試驗驗證了官帽舟水電站溢洪道和泄洪洞的泄流能力，對溢洪道防沖設(shè)計、下游防護及后期運行管理提出了建議，優(yōu)化了墩尾及閘室、挑流鼻坎結(jié)構(gòu)型式及下游右岸邊坡開挖支護方案。結(jié)果表明：優(yōu)化后的方案合理，下游水流流態(tài)順暢，開挖工程量有效減小，項目工程成本有所降低。

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（編輯：江 文）

Hydraulic model test study on flood releasing structure of Guanmaozhou

Hydropower Station in Sichuan Province

DAI Juan1，HUANG Lianfang2，LIU Ming3

（1. Changjiang Water Resources and Hydropower Development Group （Hubei） Co.， Ltd.， Wuhan 430010，China;? ?2.Yangtze River Lake Protection and Construction Operation Safety Center， Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China;? 3.Zhujiang Water Conservancy Research Institute， Guangzhou 510611， China）

Abstract： In order to verify the? layout scheme rationality of spillway and flood discharging tunnel of Guanmaozhou hydropower station in Sichuan Province， the inlet hydraulic conditions， flood discharge capacity， flip energy dissipation effect and scoured pit range of the hydropower station were studied through hydraulic model test. Also， according to the test results， the structural types of pier tail， gate chamber and flip bucket and the excavation and support scheme of the downstream right bank slope were optimized. The results showed that the flow pattern at the inlet and outlet of the spillway and in flood discharging tunnel of Guanmaozhou Hydropower Station were stable， and the discharge capacity met the design requirements. The optimized scheme is more safe and reasonable， which can effectively reduce the excavation quantities and construction cost.

Key words： spillway; flood discharging tunnel;hydraulic model test;? discharge capacity; Guanmaozhou Hydropower Station