劉麗秋

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽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、壓力管道和電站廠房構成。其中，壓力前池主要由連接段、前室、進水室、沖沙閘、泄水排沙閘以及泄水陡坡和側(cè)堰構成。泄水陡坡長全長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，泄水陡坡的末端設置寬度分別為12 m、20 m，池長分別為 60 m、50 m兩級消力池，泄水陡坡經(jīng)消力池后投入尾水渠。

2 原設計方案分析

2.1 模型的設計與制作

這次研究不僅要完成泄水陡坡的整體模型試驗，還要局部流態(tài)研究，考慮試驗場地因素和SL155—95《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》的規(guī)定，模型采用的幾何比尺為50[2]。為滿足水流紊動阻力相似性需求，模型采用有機玻璃板制作，高程誤差小于2 mm，平面誤差小于10 mm[3]。水位監(jiān)測采用DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)；斷面流速分布采用DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)和畢托管聯(lián)合監(jiān)測測量；底板壓強采用采用DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)的壓力探頭測量；水流流態(tài)采用高倍像素相機拍攝[4]。根據(jù)泄水陡坡的運行實際，選擇設計最不利工況（以下簡稱工況1）和排冰排漂工況兩種工況，對泄水陡坡的流速分布、壓強分布以及水面線和水流流態(tài)進行試驗分析。在數(shù)據(jù)采集方面，水位和流速測點采用等間距布置。

2.2 原設計方案存在的問題

在兩種試驗工況下對原設計方案進行模型試驗，得到方案本身存在如下主要問題：在工況1的365 m3/s流量下，泄水陡坡下游一級消力池內(nèi)水面波動比較劇烈，在部分區(qū)域存在水流溢出消力池邊壁的情況。同樣，受到一級消力池內(nèi)水流波動的影響，下游泄水陡坡的緩坡段內(nèi)水流波動同樣比較大。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。針對一級消力池水流溢出和水面波動較大的問題，需要對原設計方案進行優(yōu)化修改，增加輔助消能消波措施。

3 泄水陡坡優(yōu)化設計方案與比選

通過對原方案的模型試驗發(fā)現(xiàn)，泄水陡坡存在的主要問題是在最不利工況下，一級消力池水流溢出和水面波動較大問題。因此，需要對原始設計進行優(yōu)化，并通過模型試驗分析，以確定最優(yōu)設計方案。

3.1 優(yōu)化方案設計

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

3.1.1 優(yōu)化設計方案1

相關研究結(jié)論顯示[5][6]，消力池尾坎的形態(tài)對水躍消能和池內(nèi)流態(tài)具有顯著影響。具體而言，通過對尾坎形狀的改變，可以有效減小消力池尾坎部位的底部回流對水面的作用，從而大幅減小水面波動。基于上述認識，優(yōu)化方案1對原設計方案中的一級消力池尾坎進行優(yōu)化設計，將原設計中的垂直尾坎修改為1∶2的斜坡尾坎，其長、寬、高分別為12.3 m、12 m和5.5 m，優(yōu)化設計后的尾坎如圖1所示。

圖1 尾坎優(yōu)化設計示意圖

3.1.2 優(yōu)化設計方案2

該優(yōu)化設計方案的思路是在一級消力池內(nèi)設置懸柵，以改變池內(nèi)水躍的內(nèi)部水流結(jié)構，通過增大水流紊流強度，提高水流的能量損失，進而達到降低水面波動的效果[7][8]。結(jié)合消力池的基本結(jié)構和原設計方案中水面波動特點，在消力池內(nèi)的水躍內(nèi)部和尾部分別設置兩組懸柵。懸柵的水平間距和垂直兼具均設計為3 m，長、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)懸柵設置示意圖

3.1.3 優(yōu)化設計方案3

借鑒相關的研究成果，在一級消力池的頂部設置消波梁，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強度。具體而言，應在距消力池頂部1.5 m的位置設置12根，間距1.5 m的一排消波梁，消波梁的長、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)化方案的模型試驗范圍

圖3 消波梁布置示意圖

雙龍水電站一級消力池彎道之后到二級消力池之間的渠道長度為425.8 m，坡度為0.001，渠道較長且坡度較緩?？紤]到本次優(yōu)化設計僅針對一級消力池部位，因此在模型試驗時，將試驗范圍定為一級陡坡的入口帶消力池彎道后60 m的位置，也就是樁號泄0+94.486到泄0+385.850。

3.3 優(yōu)化試驗結(jié)果及分析

3.3.1 優(yōu)化設計方案1

優(yōu)化設計方案1的典型斷面水位流速試驗數(shù)據(jù)如表1所示。由試驗結(jié)果可知，通過對尾坎形態(tài)的重新設計，消力池內(nèi)水躍后半段的波動性有明顯降低，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，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)化設計方案1水位流速試驗數(shù)據(jù)

3.3.2 優(yōu)化設計方案2

優(yōu)化設計方案1的典型斷面水位流速試驗數(shù)據(jù)如表2所示。由試驗結(jié)果可知，消力池水躍區(qū)的前段水位有所上升，在水流穿過懸柵時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。整體來看，水位高度沒有超過消力池邊壁高度。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)化設計方案2水位流速試驗數(shù)據(jù)

3.3.3 優(yōu)化設計方案3

優(yōu)化設計方案3的典型斷面水位流速試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 優(yōu)化設計方案1水位流速試驗數(shù)據(jù)

由試驗結(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置了一排消波梁，對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，表面波動性明顯變小。在水躍后的過渡段水流形態(tài)平穩(wěn)，沒有發(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也較小。

3.4 優(yōu)化結(jié)論

對3種擬定的優(yōu)化方案進行模型試驗，通過試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化設計方案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，說明該方案能夠有效消弱池內(nèi)水面波動。因此，認為優(yōu)化設計方案3為最優(yōu)方案，推薦在工程設計中采用。

4 結(jié)語

文中通過模型試驗的方法對雙龍水電站泄水陡坡進行了優(yōu)化設計，并對最不利工況下物理試驗中發(fā)現(xiàn)的問題提出了3中優(yōu)化改進措施，經(jīng)過試驗比對，最終推薦優(yōu)化設計方案3為最優(yōu)方案。當然，這次研究以物理模型試驗結(jié)果為主要依據(jù)，并沒有進行相應的數(shù)值模擬計算。因此，在后續(xù)研究中有必要利用數(shù)值模擬計算再次進行驗證，以全面準確了解泄水陡坡的水力特征。