譚宇靜，歐陽慶曉

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510610）

1 概況

某水電站大壩為混凝土重力壩設(shè)計(jì),最大壩高為34.35 m。電站的泄水建筑物為表孔溢洪道,主要引渠段、控制段、圓弧段、斜坡段、反弧段和挑坎段等6 部分組成。其中,引渠段的底板高程為321.50 m,長31.49 m；控制段的頂高程342.20 m,長30.0 m；控制段以下為圓弧段,該段采用的是典型的WES堰,堰頂高程為325.00 m,堰寬12.0 m；圓弧段以下為泄槽段,其側(cè)墻高度為12.00 m；泄槽段以下為反弧段,其設(shè)計(jì)半徑為38.726 m,挑坎段的挑角32.20°,寬度為12.0 m。溢洪道的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示,進(jìn)口段局部存在高風(fēng)化巖層。為了避開上述地質(zhì)不利部位,在設(shè)計(jì)中采取了兩端不對(duì)稱的進(jìn)口形態(tài),右側(cè)為依附山體的傾斜邊墻設(shè)計(jì),左側(cè)為高導(dǎo)流墻設(shè)計(jì)。其中右側(cè)高10 m,長35.0 m,左側(cè)導(dǎo)流墻高3.0 m,長25.0 m。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型制作

水力學(xué)問題往往比較復(fù)雜,因此模型試驗(yàn)的方法仍具有顯著的優(yōu)勢(shì),對(duì)解決相關(guān)問題具有重要的幫助[1]。根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)和實(shí)際需要,本次模型試驗(yàn)的模擬范圍為溢洪道和上游部分庫區(qū),總長148.62 m。其中溢洪道段長83.62 m,上游庫區(qū)段長65 m。鑒于本次研究的水流主要受到自身重力作用的影響,在試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)中采用重力相似性原則。結(jié)合研究場(chǎng)地條件,模型制作中選擇1∶40的幾何比尺[2]。模型的溢洪道段采用有機(jī)玻璃制作,以模擬工程實(shí)際糙率,誤差不超過2 mm[3],模型的其余部分采用PVC板材制作,誤差控制在5 mm以內(nèi)[4]。

2.2 測(cè)量設(shè)備

試驗(yàn)過程中的水深用直鋼尺測(cè)量；水流流速利用便攜式流速儀測(cè)量；壓強(qiáng)采用多功能檢測(cè)系統(tǒng)和壓力傳感器測(cè)量,流量則采用寬矩形量水堰測(cè)量[5]。研究過程中按照上述要求做好實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并布置好相應(yīng)的壓強(qiáng)和流速測(cè)點(diǎn),然后開始試驗(yàn),并測(cè)量和記錄相關(guān)數(shù)據(jù)[6]。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)在水電站的校核水位（339.80 m）工況下進(jìn)行,對(duì)原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案條件下的溢洪道的水力特征數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)、記錄和分析,提出不合理的體型和相應(yīng)的優(yōu)化意見,在說明優(yōu)化方案的有效性與可靠性的同時(shí),也可以為非對(duì)稱進(jìn)口溢洪道的設(shè)計(jì)提供必要的技術(shù)支撐[7]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 進(jìn)口流態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案制作好試驗(yàn)?zāi)Ｐ?在校核水位工況下進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,繪制出如圖1 所示的335.0 m高程進(jìn)口流速和流線分布圖。由圖可知,在溢洪道啟用過程中,受到非對(duì)稱進(jìn)口的影響,上游的水流會(huì)按照一定的角度進(jìn)入溢洪道,并因之產(chǎn)生較大的環(huán)流量,在主流和固體邊界之間形成了一個(gè)逆時(shí)針漩渦,寬度約12 m左右。同時(shí),由于來流出現(xiàn)了比較劇烈的收縮轉(zhuǎn)向和回流,造成水體的邊界部位雍高滯留區(qū),惡化了溢洪道引渠段進(jìn)口的水流流態(tài)。究其原因,主要是溢洪道進(jìn)口的邊界不規(guī)則,因此水利分布的均勻性明顯偏差,并導(dǎo)致進(jìn)口部位的導(dǎo)流墻難以充分發(fā)揮作用,水流的擾動(dòng)作用比較強(qiáng)烈,進(jìn)而影響到溢洪道內(nèi)部的整體水流流態(tài)[4]。因此,在原設(shè)計(jì)方案下,溢洪道內(nèi)部的水流流態(tài)穩(wěn)定性明顯偏差,不利于溢洪道建筑物的運(yùn)行安全,需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]。

圖1 原方案進(jìn)口流速和流線分布圖

3.1.2 沿程水位試驗(yàn)結(jié)果

利用試驗(yàn)中獲取的沿程水位數(shù)據(jù),整理獲得原方案下的沿程水位線,結(jié)果見圖2。由圖可知,在原設(shè)計(jì)方案下,溢洪道內(nèi)部的水流流態(tài)明顯偏差,主要表現(xiàn)為水位的沿程波動(dòng)性偏大。由于非對(duì)稱導(dǎo)流墻的影響,來流在慣性力和轉(zhuǎn)彎離心力的作用下產(chǎn)生側(cè)向傾斜,產(chǎn)生顯著的水面橫比降,進(jìn)而造成水面超高,特別是控制段和圓弧段存在十分明顯的水位雍高現(xiàn)象。在圓弧段,水面高差達(dá)到峰值,為2.01 m,超高的水流幾乎躍出邊墻。這說明,由于離心力的作用水面的整體平衡受到嚴(yán)重影響,使溢洪道的水體呈現(xiàn)出顯著的復(fù)雜動(dòng)蕩變化特征。

圖2 原方案沿程水位線

3.1.3 堰面壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用實(shí)驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù),計(jì)算出溢洪道堰面壓強(qiáng)水頭,結(jié)果見表1。由表中的結(jié)果可以看出,溢洪道圓弧段底板的壓強(qiáng)明顯偏小,并出現(xiàn)負(fù)壓,可能在運(yùn)行過程中出現(xiàn)比較明顯的水流空化現(xiàn)象,對(duì)底板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不利。

表1 各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)水頭

3.2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

基于原設(shè)計(jì)方案在試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出的問題,結(jié)合背景工程的實(shí)際情況,特別是工程布置情況,對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：將原設(shè)計(jì)方案中的喇叭口翼墻改為平直設(shè)計(jì)方式,并與溢洪道的中軸線平行,其長度設(shè)計(jì)為20 m,高度增加至13.6 m。在溢洪道進(jìn)口的外側(cè)2.0 m處設(shè)置兩道與中軸線垂直的直墻,頂部為半圓柱設(shè)計(jì),直徑為1.8 m,頂部高程為335.5 m。其主要作用是減小水流爬高,減輕水流的收縮效應(yīng)。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 進(jìn)口流態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案,對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行改造并進(jìn)行試驗(yàn)。在校核水位工況下,利用 335.0 m高程的試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制出如圖3 所示的溢洪道進(jìn)口流速和流線分布圖。由圖可知,在優(yōu)化方案條件下,由于導(dǎo)流墻充分發(fā)揮除了阻水作用,原方案下庫區(qū)水流的紊亂流態(tài)改善作用較為明顯,水流較為平順,雖然在靠近左岸邊墻的部位仍舊存在一定的回流現(xiàn)象,但是區(qū)域和強(qiáng)度明顯減小,影響極為有限?？傮w而言,優(yōu)化方案可以顯著改善進(jìn)口流態(tài),取得了十分明顯的優(yōu)化效果。

3.2.2 沿程水位試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用試驗(yàn)過程中獲取的沿程水位,繪制優(yōu)化方案條件下的沿程水位線,結(jié)果見圖4。由圖可知,改進(jìn)后的導(dǎo)流墻對(duì)引渠段的水流紊動(dòng)作用產(chǎn)生了明顯約束,水流的下瀉更為順暢,提高了溢洪道沿程的水位分布均勻度,特別是水位分布均勻度明顯不理想的控制段至圓弧段改善效果十分明顯,水位超高值降低到0.76 m,符合工程設(shè)計(jì)要求,雖然挑流消能段仍存在明顯的水體波動(dòng),但是幅度大為減小,符合工程設(shè)計(jì)中的水位要求。

圖4 優(yōu)化方案沿程水位線

3.2.3 堰面壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù),計(jì)算出優(yōu)化方案下的堰面壓強(qiáng)水頭,結(jié)果見表2。由表中的計(jì)算結(jié)果可以看出,優(yōu)化方案下的沿程壓強(qiáng)分布較為均勻,壓強(qiáng)峰值明顯減小,雖然在溢洪道的圓弧段仍舊存在局部的負(fù)壓現(xiàn)象,但是數(shù)值僅為-0.04 MPa,不會(huì)造成明顯的水流空化現(xiàn)象,對(duì)水工結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計(jì)。因此,優(yōu)化方案可以明顯改善原始方案中圓弧段的負(fù)壓現(xiàn)象,減輕水流對(duì)水工結(jié)構(gòu)的不利影響,取得了良好的優(yōu)化效果。

表2 各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)水頭

4 結(jié)論

以某水電站為例,利用模型試驗(yàn)研究的方法對(duì)非對(duì)稱來流條件下的溢洪道進(jìn)口體型進(jìn)行優(yōu)化,獲得的主要結(jié)論如下：

（1）原設(shè)計(jì)方案水流流態(tài)較差,存在比較明顯的滾漩和漩渦,容易造成溢洪道結(jié)構(gòu)的振動(dòng),不利于安全運(yùn)行。優(yōu)化方案的水流流態(tài)明顯改善,滾漩和漩渦基本消失,溢洪道內(nèi)部的水流分布較為均勻。

（2）在原設(shè)計(jì)方案下溢洪道內(nèi)部的水流流態(tài)明顯偏差,水位的沿程波動(dòng)性偏大；優(yōu)化方案條件下,導(dǎo)流墻對(duì)引渠段的水流紊動(dòng)作用產(chǎn)生了明顯約束,水流的下瀉更為順暢,提高了溢洪道沿程的水位分布均勻度。

（3）原設(shè)計(jì)方案條件下,溢洪道圓弧段存在比較明顯的負(fù)壓,可能在運(yùn)行過程中出現(xiàn)比較明顯的水流空化現(xiàn)象,對(duì)底板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不利。優(yōu)化方案下溢洪道的圓弧段雖然仍舊存在局部的負(fù)壓,但是數(shù)值僅為-0.04MPa,對(duì)水工結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計(jì)。

（4）優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)改善溢洪道水力特征具有顯著作用,建議在工程設(shè)計(jì)中采用。