譚宇靜，歐陽慶曉

（中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司,廣東 廣州 510610）

1 概況

某水電站大壩為混凝土重力壩設計,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,其側墻高度為12.00 m；泄槽段以下為反弧段,其設計半徑為38.726 m,挑坎段的挑角32.20°,寬度為12.0 m。溢洪道的現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結果顯示,進口段局部存在高風化巖層。為了避開上述地質(zhì)不利部位,在設計中采取了兩端不對稱的進口形態(tài),右側為依附山體的傾斜邊墻設計,左側為高導流墻設計。其中右側高10 m,長35.0 m,左側導流墻高3.0 m,長25.0 m。

2 模型試驗設計

2.1 模型制作

水力學問題往往比較復雜,因此模型試驗的方法仍具有顯著的優(yōu)勢,對解決相關問題具有重要的幫助[1]。根據(jù)研究對象的特點和實際需要,本次模型試驗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,在試驗模型設計中采用重力相似性原則。結合研究場地條件,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玻璃制作,以模擬工程實際糙率,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 測量設備

試驗過程中的水深用直鋼尺測量；水流流速利用便攜式流速儀測量；壓強采用多功能檢測系統(tǒng)和壓力傳感器測量,流量則采用寬矩形量水堰測量[5]。研究過程中按照上述要求做好實驗模型,并布置好相應的壓強和流速測點,然后開始試驗,并測量和記錄相關數(shù)據(jù)[6]。

2.3 試驗內(nèi)容

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

3 試驗結果與分析

3.1 原設計方案試驗結果

3.1.1 進口流態(tài)試驗結果與分析

根據(jù)原設計方案制作好試驗模型,在校核水位工況下進行試驗。根據(jù)試驗結果,繪制出如圖1 所示的335.0 m高程進口流速和流線分布圖。由圖可知,在溢洪道啟用過程中,受到非對稱進口的影響,上游的水流會按照一定的角度進入溢洪道,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逆時針漩渦,寬度約12 m左右。同時,由于來流出現(xiàn)了比較劇烈的收縮轉向和回流,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口的水流流態(tài)。究其原因,主要是溢洪道進口的邊界不規(guī)則,因此水利分布的均勻性明顯偏差,并導致進口部位的導流墻難以充分發(fā)揮作用,水流的擾動作用比較強烈,進而影響到溢洪道內(nèi)部的整體水流流態(tài)[4]。因此,在原設計方案下,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行安全,需要進行優(yōu)化設計[8]。

圖1 原方案進口流速和流線分布圖

3.1.2 沿程水位試驗結果

利用試驗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,結果見圖2。由圖可知,在原設計方案下,溢洪道內(nèi)部的水流流態(tài)明顯偏差,主要表現(xiàn)為水位的沿程波動性偏大。由于非對稱導流墻的影響,來流在慣性力和轉彎離心力的作用下產(chǎn)生側向傾斜,產(chǎn)生顯著的水面橫比降,進而造成水面超高,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重影響,使溢洪道的水體呈現(xiàn)出顯著的復雜動蕩變化特征。

圖2 原方案沿程水位線

3.1.3 堰面壓強試驗結果與分析

利用實驗中獲取的數(shù)據(jù),計算出溢洪道堰面壓強水頭,結果見表1。由表中的結果可以看出,溢洪道圓弧段底板的壓強明顯偏小,并出現(xiàn)負壓,可能在運行過程中出現(xiàn)比較明顯的水流空化現(xiàn)象,對底板結構的穩(wěn)定性不利。

表1 各測點壓強水頭

3.2 優(yōu)化方案設計

基于原設計方案在試驗過程中表現(xiàn)出的問題,結合背景工程的實際情況,特別是工程布置情況,對原方案進行優(yōu)化設計：將原設計方案中的喇叭口翼墻改為平直設計方式,并與溢洪道的中軸線平行,其長度設計為20 m,高度增加至13.6 m。在溢洪道進口的外側2.0 m處設置兩道與中軸線垂直的直墻,頂部為半圓柱設計,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。

3.3 優(yōu)化設計方案試驗結果與分析

3.2.1 進口流態(tài)試驗結果與分析

按照優(yōu)化后的設計方案,對試驗模型進行改造并進行試驗。在校核水位工況下,利用 335.0 m高程的試驗數(shù)據(jù),繪制出如圖3 所示的溢洪道進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)域和強度明顯減小,影響極為有限。總體而言,優(yōu)化方案可以顯著改善進口流態(tài),取得了十分明顯的優(yōu)化效果。

3.2.2 沿程水位試驗結果與分析

利用試驗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,結果見圖4。由圖可知,改進后的導流墻對引渠段的水流紊動作用產(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,符合工程設計要求,雖然挑流消能段仍存在明顯的水體波動,但是幅度大為減小,符合工程設計中的水位要求。

圖4 優(yōu)化方案沿程水位線

3.2.3 堰面壓強試驗結果與分析

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

表2 各測點壓強水頭

4 結論

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

（1）原設計方案水流流態(tài)較差,存在比較明顯的滾漩和漩渦,容易造成溢洪道結構的振動,不利于安全運行。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）在原設計方案下溢洪道內(nèi)部的水流流態(tài)明顯偏差,水位的沿程波動性偏大；優(yōu)化方案條件下,導流墻對引渠段的水流紊動作用產(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）原設計方案條件下,溢洪道圓弧段存在比較明顯的負壓,可能在運行過程中出現(xiàn)比較明顯的水流空化現(xiàn)象,對底板結構的穩(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壓,但是數(shù)值僅為-0.04MPa,對水工結構的影響可以忽略不計。

（4）優(yōu)化設計方案對改善溢洪道水力特征具有顯著作用,建議在工程設計中采用。