王 怡

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 長(zhǎng)沙市 410014）

1 工程特點(diǎn)

龍灘水電站位于廣西天峨縣境內(nèi)，是紅水河上具備多年調(diào)節(jié)性能的大型龍頭水庫(kù)，主要任務(wù)是發(fā)電，兼有防洪和航運(yùn)等綜合利用效益。工程按后期正常蓄水位400.00m設(shè)計(jì)，分兩期建設(shè)，前期按正常蓄水位375.00m，大壩前期最大壩高192.00m，后期最大壩高216.50m。

龍灘水電站屬一等工程，泄水放空建筑物按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。泄洪建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，10 000年一遇洪水校核。下游消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水。

泄水放空建筑物布置在河床壩段，表孔溢洪道孔口尺寸15m×20m（寬×高），表孔堰面為實(shí)用堰，采用高低坎相結(jié)合的挑流式消能。1、3、5、7孔為低坎，2、4、6孔為高坎，中墩寬5m，邊墩寬4m。表孔前期最大泄量27 153m3/s，最大單寬流量258.6m3/s·m；后期最大泄量26 200m3/s，最大單寬流量249.5m3/s·m。

2 研究思路

龍灘水電站溢洪道的大單寬流量及高水頭特性決定了摻氣設(shè)施設(shè)置的復(fù)雜性，過(guò)高的摻氣坎可能使得挑射水流高程較高，增加導(dǎo)墻的高度，進(jìn)而增加工程造價(jià)；而過(guò)低的摻氣設(shè)施可能使得摻氣不充分，進(jìn)而產(chǎn)生負(fù)壓，影響摻氣設(shè)施的安全性。因此測(cè)量不同試驗(yàn)條件下的溢洪道內(nèi)的水面高程、壓強(qiáng)、摻氣濃度以及摻氣設(shè)施的風(fēng)速，通過(guò)方案比選，確定滿足工程規(guī)范的試驗(yàn)方案，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)是本次試驗(yàn)的研究思路。

3 試驗(yàn)?zāi)M條件

模型依據(jù)重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，為滿足摻氣相似要求，摻氣設(shè)施處模型流速和韋伯?dāng)?shù)應(yīng)足夠大，選定模型長(zhǎng)度比尺1∶30。本摻氣模型低坎溢洪道均取半孔，模型溢流面和左側(cè)導(dǎo)墻用水泥刮制，右側(cè)導(dǎo)墻和通氣管由有機(jī)玻璃制作，以觀察摻氣水流內(nèi)部的情況和底部空腔的流態(tài)。

高坎溢洪道低坎溢洪道導(dǎo)墻上設(shè)置了12條水尺，以量測(cè)摻氣水流的水面線；在溢流面上設(shè)置了若干測(cè)壓管，以了解溢流面的摻氣壓強(qiáng)分布情況。

用風(fēng)速儀測(cè)量通氣管中心點(diǎn)風(fēng)速，用摻氣濃度儀測(cè)試溢流面中線法線方向的摻氣濃度分布，低坎溢洪道對(duì)7個(gè)斷面進(jìn)行量測(cè)。

4 摻氣設(shè)施優(yōu)化及其試驗(yàn)成果

低坎溢洪道設(shè)置了2道人工摻氣系統(tǒng)，摻氣設(shè)施的形式均采用兩側(cè)墻埋管摻氣。共進(jìn)行了3個(gè)方案的試驗(yàn)，其幾何要素見(jiàn)表1。因方案Ⅲ優(yōu)于方案Ⅰ和方案Ⅱ，以下著重介紹方案Ⅲ。其上摻氣坎末端位于樁號(hào)0+041.212m處，下?lián)綒饪材┒宋挥跇短?hào)0+082.728m。

表1 低坎溢洪道摻氣系統(tǒng)幾何要素表

4.1 流態(tài)與水面線

在試驗(yàn)中觀察到：方案Ⅰ上摻氣設(shè)施空腔長(zhǎng)度很長(zhǎng)，水舌沖擊點(diǎn)在下?lián)綒饪哺浇?，有沖擊下?lián)綒饪仓?，在上游水?75.067m下泄流量17 690m3/s時(shí)，下?lián)綒庠O(shè)施有效空腔長(zhǎng)度為8.15m，隨著上游水位的升高，空腔長(zhǎng)度逐漸變小，在校核水位附近，空腔回水已陣發(fā)性爬至摻氣槽內(nèi)。方案Ⅱ上摻設(shè)施空腔高度很低，水舌下沿?fù)綒獠簧趺黠@，下?lián)綒庠O(shè)施空腔穩(wěn)定。方案Ⅲ在各試驗(yàn)工況下，上、下?lián)綒庠O(shè)施空腔穩(wěn)定，摻氣情況較好，以下重點(diǎn)介紹。

在各試驗(yàn)工況下，水流經(jīng)過(guò)上摻氣坎時(shí)，水面挑高，坎后形成較長(zhǎng)空腔，且隨著庫(kù)水位的升高，有效空腔稍有增大。在庫(kù)水位374.962m，下泄流量17530 m3/s時(shí)，有效底空腔長(zhǎng)度為30.11m，在庫(kù)水位377.362 m，下泄流量21 321m3/s時(shí)，有效底空腔長(zhǎng)度為31.93 m，在庫(kù)水位381.139m，下泄流量27 903m3/s時(shí)，有效底空腔長(zhǎng)度為32.78m。

水流經(jīng)過(guò)下?lián)綒饪埠?，水面波?dòng)加劇，在樁號(hào)0+106.044m附近爬高最大，在庫(kù)水位377.362m，下泄流量21 321m3/s時(shí)，樁號(hào)0+106.044m處爬高高程為275.810m，超越邊墻3.755m。目前尚未解決摻氣量的相似率問(wèn)題，導(dǎo)墻應(yīng)有足夠超高。

坎后空腔內(nèi)存在反向漩滾，且不時(shí)進(jìn)退，不過(guò)仍存在穩(wěn)定空腔，有效空腔長(zhǎng)度隨著庫(kù)水位的升高而減小。在庫(kù)水位374.962m、下泄流量17 530m3/s時(shí)，有效底空腔長(zhǎng)度為12.62m，在庫(kù)水位377.362m、下泄流量21 321m3/s時(shí)，有效底空腔長(zhǎng)度為11.57m，在庫(kù)水位381.139m、下泄流量27 903m3/s時(shí)，有效底空腔長(zhǎng)度為8.62m。

由于坎后水流紊動(dòng)加劇，表面水流的挾氣能力提高，在上坎坎后水流的上部，可以看到逐漸下擴(kuò)的白色水流流層，并且在樁號(hào)0+063.450m附近與底部的向上發(fā)展的強(qiáng)迫摻氣水流相會(huì)合。隨后水流逐漸變白，經(jīng)過(guò)下?lián)綒饪?，在樁?hào)0+106.044m以后，水體全程變?yōu)槿榘咨?/p>

4.2 壓 強(qiáng)

在各試驗(yàn)工況下，除摻氣空腔內(nèi)出現(xiàn)大小不同的負(fù)壓外，各運(yùn)行工況下溢洪道底板均未出現(xiàn)負(fù)壓。

在試驗(yàn)工況下，上摻氣坎空腔負(fù)壓的絕對(duì)值隨著上游水位的升高，空腔長(zhǎng)度的加大而加大，下?lián)綒饪部涨回?fù)壓的絕對(duì)值隨著上游水位的升高，空腔長(zhǎng)度的減小而減小。最大空腔負(fù)壓為-7.55 kPa，出現(xiàn)在上游水位381.139m，下泄流量27 903m3/s時(shí)的上摻氣坎空腔內(nèi)。在上游水位377.362m（相當(dāng)于設(shè)計(jì)水位），下泄流量21 321m3/s時(shí)，上摻氣坎空腔負(fù)壓為-6.97 kPa，略超過(guò)溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的-5 kPa[1]。因此上通氣孔面積需適當(dāng)加大。

各典型沖擊壓強(qiáng)隨著上游水位的升高而增大，在各試驗(yàn)工況下，最大沖擊壓強(qiáng)位于第二道水舌沖擊點(diǎn)，上游水位381.139m，下泄流量27 903m3/s時(shí)，樁號(hào)0+101.049m處的沖擊壓強(qiáng)為346.35 kPa。第一道水舌沖擊壓強(qiáng)較小，是由于水舌落點(diǎn)方向與溢洪道在該處的切線方向的夾角較小所致。上游水位377.362m，下泄流量21321m3/s時(shí)，樁號(hào)0+073.685 m處，第一道水舌的沖擊壓強(qiáng)為35.77 kPa。

此外，第二道摻氣坎附近，壓強(qiáng)值較大。上游水位381.139m，下泄流量27903m3/s時(shí)，樁號(hào)0+080.232 m處的沖擊壓強(qiáng)為128.42 kPa。因此，應(yīng)注意對(duì)摻氣挑坎尤其是第二道摻氣坎附近的保護(hù)。

4.3 通氣管風(fēng)速

3 個(gè)方案的模型風(fēng)速實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。

表2 模型風(fēng)速實(shí)測(cè)值

方案Ⅲ優(yōu)于方案Ⅰ、方案Ⅱ。在正常蓄水位附近，方案Ⅲ上通氣孔模型風(fēng)速為9.47m/s，略大于方案Ⅰ上通氣孔模型風(fēng)速9.27m/s，明顯大于方案Ⅱ上通氣孔模型風(fēng)速6.20m/s，方案Ⅲ下通氣孔模型風(fēng)速10.04m/s，略大于方案Ⅰ下通氣孔模型風(fēng)速9.64m/s和方案Ⅱ下通氣孔模型風(fēng)速9.20 m/s。

上通氣孔的模型風(fēng)速，隨著上游水位的升高，下泄流量的增大而加大，下通氣孔的模型風(fēng)速隨著上游水位的升高，下泄流量的增大而減小。

重力相似引申和經(jīng)驗(yàn)公式[2]引申原型風(fēng)速值及氣水比見(jiàn)表3。

表3 方案Ⅲ重力相似引申和經(jīng)驗(yàn)公式引申原型風(fēng)速值及氣水比

上通氣孔和下通氣孔用經(jīng)驗(yàn)公式引申的原型風(fēng)速值均大于溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范限定值60m/s。因此，從通氣管風(fēng)速而言，通氣管面積略顯不足。建議將上、下通氣孔直徑由150 cm加大到170 cm。

此外，氣水比（平均摻氣濃度）隨著上游水位的升高，下泄流量的增大而減小。用經(jīng)驗(yàn)公式引申的氣水比最小值為4.25%，出現(xiàn)在上游水位381.139m，下泄流量27 903m3/s時(shí)的第一道摻氣設(shè)施處。

4.4 摻氣濃度

溢洪道（低坎）沿程共設(shè)置了7個(gè)摻氣濃度施測(cè)斷面。其中下?lián)綒饪埠鬄?個(gè)。方案Ⅲ優(yōu)于方案Ⅰ和方案Ⅱ。底部摻氣濃度基本上沿程衰減，上層始終保持較大的摻氣濃度值。方案Ⅲ樁號(hào)壩0+138.218m以前的溢流面最小底部摻氣濃度為3.9%，溢流面底部具有足夠的減蝕摻氣濃度。方案Ⅲ樁號(hào)壩0+148.00附近，底部最小摻氣濃度為1.2%，對(duì)溢流面可以起到一定的減蝕作用。

盡管摻氣設(shè)施能有效摻氣，發(fā)揮較好效果，起到對(duì)溢流面減蝕的作用，但為了保證工程安全，仍需對(duì)施工中的不平整度進(jìn)行適度控制。具體可參見(jiàn)溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范。

5 結(jié) 語(yǔ)

從試驗(yàn)結(jié)果可知，溢洪道某些部位的近底摻氣濃度值小于3%，尚未滿足規(guī)范[1]要求，不過(guò)從烏江渡原觀成果來(lái)看，其右滑雪道與本溢洪道的最大單寬及最大流速均相似，其水流近壁處摻氣濃度最小時(shí)均值亦為1.7%[3]，運(yùn)行至今未發(fā)生空蝕破壞。因此龍灘水電站低坎溢洪道人工摻氣系統(tǒng)的布置是可行的。

截止目前，龍灘水電站工程安全運(yùn)行，經(jīng)歷了泄洪考驗(yàn)。其摻氣設(shè)施的設(shè)置可以為類(lèi)似工程提供參考。

[1]DL/T 5166-2002.溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2002.

[2]夏毓常,王善達(dá),韋有忠.通氣減蝕設(shè)施通氣量研究報(bào)告[R].水電部天津勘測(cè)設(shè)計(jì)院科研所,水電部中南勘測(cè)設(shè)計(jì)院科研所,1984.

[3]水利電力部中南勘測(cè)設(shè)計(jì)院.烏江渡水電站高速水流原型觀測(cè)成果總報(bào)告[R].長(zhǎng)沙：水利電力部中南勘測(cè)設(shè)計(jì)院,1983.