張 林

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 400010)

1 水電站概況

西彭水電站位于重慶酉陽(yáng)，水庫(kù)壩址位于青竹溪上游臨河巖處，距離上游酉陽(yáng)縣城19.6km，距離下游馬渚大橋8.2km。本工程主要建筑物有攔河構(gòu)筑物、泄水溢洪道、消能建筑物，設(shè)計(jì)流量為440m3/s。其中溢洪道總長(zhǎng)612.22m(從樁號(hào)溢0+000.00至溢0+612.22)，沿程總高差176.50m。彎曲段總長(zhǎng)73.3m，縱坡為1∶0.03，彎曲半徑為120m，圓心角為35°，水電站溢洪道平面布置如圖1所示。

圖1 西彭水電站溢洪道平面

2 物理模型制作

采用1∶40的物理模型試驗(yàn)分析現(xiàn)狀以及優(yōu)化方案下的試驗(yàn)效果。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)的理論和方法》換算關(guān)系，可推求得本模型的物理幾何比尺為1∶40，流速比尺為1∶6.42，流量比尺為1∶15229.5，糙率比尺為1∶1.75。同時(shí)，為了更好的觀察模型試驗(yàn)效果，采用透明的有機(jī)玻璃制作模型。

3 現(xiàn)狀方案存在的問題

現(xiàn)狀方案下溢洪道彎曲段水位分布情況如圖2所示，由圖2可以看出，在設(shè)計(jì)工況下，現(xiàn)狀方案模型彎曲段水流流態(tài)復(fù)雜，不僅受離心力作用，導(dǎo)致外側(cè)水深加大，內(nèi)側(cè)水深減小，造成斷面內(nèi)的流量分布不均，而且由于邊墻轉(zhuǎn)折，迫使水流改變方向，產(chǎn)生折沖水流，嚴(yán)重威脅溢洪道的平穩(wěn)運(yùn)行。水庫(kù)溢洪道的流態(tài)優(yōu)劣直接影響到溢洪道的運(yùn)行安全。因此應(yīng)考慮采用適合的方案進(jìn)行調(diào)整，減小溢洪道兩側(cè)的水位差，改善水流流態(tài)。

圖2 現(xiàn)狀方案下溢洪道彎曲段水位分布情況

4 反超高方案計(jì)算原理及計(jì)算結(jié)果

急流沖擊波在進(jìn)入彎道后，由于離心力作用產(chǎn)生較大位移，導(dǎo)致溢洪道彎曲段兩側(cè)產(chǎn)生明顯的水頭差?？紤]加高溢洪道底板外側(cè)高程，并降低溢洪道底板內(nèi)側(cè)高程。通過水體重力落差，由重力產(chǎn)生的橫向分力與離心力相互抵消。其中，計(jì)算原理如圖3(a)所示，急流沖擊波影響角度范圍計(jì)算式如下：

(1)

式中，b—彎道寬度；r0—對(duì)應(yīng)渠道中心線的曲率半徑；β1—水流進(jìn)入彎道后的初始波角。

溢洪道彎道段底板加高計(jì)算原理如圖3(b)所示，凸岸(溢洪道外側(cè))上升的水體體積和凹岸(溢洪道內(nèi)側(cè))下降的水體體積分別可用下式表達(dá)。

(2)

(3)

根據(jù)平面幾何關(guān)系，可得到凸岸(溢洪道外側(cè))上升的底板高程和凹岸(溢洪道內(nèi)側(cè))下降的底板高程表達(dá)式。

(4)

(5)

圖3 溢洪道彎曲段反超高計(jì)算原理示意圖

經(jīng)計(jì)算可知溢洪道彎曲段各斷面超高計(jì)算結(jié)果，見表1。

表1 溢洪道彎曲段反超高底板高程結(jié)算結(jié)果單位：m

5 試驗(yàn)效果分析

設(shè)計(jì)工況下，修改方案試驗(yàn)效果如圖4所示(原方案試驗(yàn)效果如圖2所示)，原方案與修改方案溢洪道彎曲段水位分布對(duì)比見表2，且表2中水位為相對(duì)650m高程的相對(duì)高程，分析可知：

(1)原方案設(shè)計(jì)工況下，彎曲段急流沖擊波受離心力作用，導(dǎo)致外側(cè)水深加大，內(nèi)側(cè)水深減小，造成斷面內(nèi)的流量分布不均，而且由于邊墻轉(zhuǎn)折，迫使水流改變方向，產(chǎn)生折沖水流。在原方案下，溢洪道彎曲段最大水位差為2.99m，平均水位差為1.76m。在溢洪道彎曲段有顯著的水流沖擊邊壁，產(chǎn)生氣蝕等情況出現(xiàn)。

(2)方案經(jīng)過修改后，由于右岸水體所受的重力橫向分力，使得左右岸水深差值減小。溢洪道彎曲段最大水位差下降為2.36m，平均水位差為1.08m。左右岸水位差值大的問題大幅緩解。

(3)進(jìn)一步分析可知，左岸的底板高程下降后，水深略有增大，右岸消減的水體部分增加在中軸附近水流沖擊波交匯處，部分增加在左岸。沖擊波交匯區(qū)域由邊壁向中軸偏移，減緩了沖擊波對(duì)邊壁的影響，整個(gè)溢洪道彎曲段流態(tài)狀況有顯著改善。

圖4 修改方案下溢洪道彎曲段水位分布情況

樁號(hào)無超高方案反超高方案左岸右岸兩岸水位差左岸右岸兩岸水位差溢K0+247.653.944.570.634.464.940.47溢K0+259.873.264.621.373.104.040.95溢K0+272.082.365.302.942.233.871.65溢K0+284.302.635.622.992.614.131.51溢K0+296.523.154.361.213.012.61-0.40溢K0+308.733.154.411.263.264.311.05溢K0+320.953.155.041.893.155.512.36平均值3.094.851.763.124.201.08最大值3.945.622.994.465.512.36

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)西彭水電站溢洪道下泄流量大、流態(tài)急，彎曲段內(nèi)外側(cè)水位、過流量差異較大的情況，采用渠底反超高的工程方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用物理模型試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方案就行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：

(1)方案經(jīng)過修改后，由于溢洪道彎曲段底板高差產(chǎn)生的重力橫向分力，抵消了部分彎曲段離心力，使水流在溢洪道彎曲段分布更均衡，左右兩側(cè)水位差大幅減小。

(2)沖擊波交匯區(qū)域由邊壁向中軸偏移，減緩了沖擊波對(duì)邊壁的影響，整個(gè)溢洪道彎曲段流態(tài)狀況有顯著改善。

(3)試驗(yàn)表明渠底反超高方案可以有效平衡溢洪道彎曲段水流。本文提煉的溢洪道彎曲段底板超高計(jì)算方法及物理模型驗(yàn)證手段可為同類工程提供參考與借鑒。