導(dǎo)語(yǔ)：水電站導(dǎo)流泄洪洞設(shè)計(jì)方案研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

［摘要］導(dǎo)流泄洪洞在水利工程中應(yīng)用十分廣泛，其體型的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。文章以遼寧省丹東愛(ài)河梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的梨樹(shù)園子水電站為例，利用水工模型試驗(yàn)的方法對(duì)該電站的導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。結(jié)果顯示，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求。

［關(guān)鍵詞］導(dǎo)流泄洪洞；模型試驗(yàn)；方案優(yōu)化；梨樹(shù)園子水電站

1工程背景

梨樹(shù)園子水電站屬于愛(ài)河梯級(jí)開(kāi)發(fā)第五級(jí)水電站，壩址位于遼寧丹東鳳城市石城鎮(zhèn)梨樹(shù)園子村西的愛(ài)河上游干流上，是一座以發(fā)電為主的小型徑流式水電站。該電站的裝機(jī)總?cè)萘繛?2400kW，設(shè)計(jì)庫(kù)容1800萬(wàn)m3，工程的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。梨樹(shù)園子水電站項(xiàng)目所在地區(qū)屬于長(zhǎng)白山系，從地層巖性來(lái)看，基底埋藏較深，沉積蓋層主要為第三系地層，由海相碳酸鹽和淺海、濱海碎屑巖構(gòu)成。水電站主要由混凝土重力壩、溢流壩、導(dǎo)流泄洪洞、引水系統(tǒng)和電站廠房構(gòu)成。其中，導(dǎo)流泄洪洞設(shè)計(jì)于大壩右岸的巖體中，在大壩建設(shè)期間承擔(dān)導(dǎo)流施工任務(wù)，在水庫(kù)運(yùn)行期承擔(dān)泄洪和放空任務(wù)。導(dǎo)流泄洪洞由引水渠段、事故閘井段、有壓洞段、出口泄槽及陡坡擴(kuò)散段以及出口消能段構(gòu)成。在施工期的最大導(dǎo)流流量為183m3/s，在水電站運(yùn)行期間的設(shè)計(jì)洪水流量為360.13m3/s，校核洪水流量為367.78m3/s。其中，出口泄槽段寬5.0m、高5.5m，縱坡坡度為0.02，通過(guò)拋物線結(jié)構(gòu)與消力池連接，寬度也漸變?yōu)?2.0m，底板高程由229.490m漸變?yōu)?10.911m；出口消能段的消力池為帶支撐桿的U型結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)55.0m、寬12.0m、深5.2m，邊墻高度設(shè)計(jì)為11.2m。

2試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1模擬范圍。根據(jù)研究需要和工程現(xiàn)狀，此次模型試驗(yàn)的模擬范圍壩軸線以上180.0m，包括導(dǎo)流泄洪洞的進(jìn)口上游，下游取到壩軸線以下700m的河道部位，模型的總長(zhǎng)度為880m[1]。結(jié)合運(yùn)行期間的最高庫(kù)水位以及最高尾水位，上下游的模型邊界高程分別設(shè)定為291.0m與273.0m。2.2模型設(shè)計(jì)。此次研究不僅要完成導(dǎo)流泄洪洞的整體模型試驗(yàn)，還要進(jìn)行局部流態(tài)研究，考慮試驗(yàn)場(chǎng)地因素和SL155—95《水工（常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，模型采用的幾何比尺為50[2]。根據(jù)設(shè)計(jì)提供的糙率比尺，其與有機(jī)玻璃的糙率基本一致，故模型采用有機(jī)玻璃板制作，高程誤差小于2mm，平面誤差小于10mm[3]。水位監(jiān)測(cè)采用DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；斷面流速分布采用DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和畢托管聯(lián)合監(jiān)測(cè)測(cè)量；底板壓強(qiáng)采用DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力探頭測(cè)量；水流流態(tài)采用高倍像素相機(jī)拍攝[4]。2.3試驗(yàn)工況。由于水電站運(yùn)行期導(dǎo)流洞的泄洪流量遠(yuǎn)大于導(dǎo)流流量，因此，研究中僅對(duì)水電站運(yùn)行期進(jìn)行模型試驗(yàn)，根據(jù)模型試驗(yàn)的基本要求和相關(guān)研究成果[5，6]，研究中選取校核洪水、設(shè)計(jì)洪水和20年一遇洪水3種工況，其具體參數(shù)如表1所示。

3原始設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1泄流能力分析。利用模型試驗(yàn)對(duì)水電站度汛期的庫(kù)水位和導(dǎo)流泄洪洞的泄流流量進(jìn)行量測(cè)。結(jié)果顯示，導(dǎo)流泄洪洞全開(kāi)時(shí)泄流能力的實(shí)驗(yàn)值大于設(shè)計(jì)值，不同庫(kù)水位條件下的偏差率在1.87%～5.11%之間。因此，導(dǎo)流泄洪洞的泄流能力完全可以滿足設(shè)計(jì)要求[7]。3.2水流流態(tài)分析。通過(guò)模型試驗(yàn)，在工況1條件下，在導(dǎo)流洞的隧洞段水流表現(xiàn)為平穩(wěn)流動(dòng)，以波浪式前進(jìn)；隨著庫(kù)水位的逐步升高，水流逐步接觸洞頂，從而表現(xiàn)為壓力流，且進(jìn)口處存在間歇式漩渦，但不貫通，在水位進(jìn)一步升高時(shí)，漩渦逐步消失。在消力池段，隨著庫(kù)水位的逐步升高，水流逐漸翻出消力池的邊墻，并且在消力池與陡坡的連接部位出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍，說(shuō)明消力池的深度較小，邊墻高度較低。3.3水力參數(shù)分析。利用模型試驗(yàn)，對(duì)不同工況下的最大水面線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：明渠段的最大實(shí)測(cè)水深為3.78m，小于該段的邊墻高度5.50m；擴(kuò)散段的最大實(shí)測(cè)水深為2.89m，小于該段邊墻的高度（4.50m）；消力池內(nèi)的最大實(shí)測(cè)水深為11.54m，大于該段邊墻（11.2m）的設(shè)計(jì)高度。因此，消力池的深度和長(zhǎng)度不能滿足要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化；消力池坎頂退水渠段的實(shí)測(cè)最大水深為6.12m，大于該段6.0m的邊墻設(shè)計(jì)高度，水流翻出墻外。對(duì)導(dǎo)流洞沿程壓強(qiáng)的最大值和最小值進(jìn)行量測(cè)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，各工況下的導(dǎo)流洞底板壓強(qiáng)均為正值且較大，分布也比較合理，不易產(chǎn)生空化水流，可以滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)導(dǎo)流洞沿程流速的最大值進(jìn)行量測(cè)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，各工況下的導(dǎo)流洞各段的流速均未超過(guò)相應(yīng)的規(guī)范要求，流速分布也比較合理。

4優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與實(shí)驗(yàn)研究

4.1優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。針對(duì)導(dǎo)流泄洪洞原設(shè)計(jì)方案在模型試驗(yàn)中暴露出的問(wèn)題，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)[8]，擬對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改：將消力池的底板降低2.3m，同時(shí)將邊墻高度增加2.8m，長(zhǎng)度增加5.2m；將陡坡上的拋物線變緩，其方程設(shè)計(jì)為y=0.02x＋0.005497x2，將消力池坎頂退水渠段邊墻加高至6.5m。4.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的水流流態(tài)分析。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的導(dǎo)流泄洪洞工作閘室段的水流流態(tài)與原設(shè)計(jì)方案基本相同，當(dāng)水流進(jìn)入下游明渠段時(shí)受到閘室段的擴(kuò)散影響，水面產(chǎn)生跌落，并在明渠段以折沖水流的形態(tài)向前流動(dòng)；在拋物線段，由于教原設(shè)計(jì)方案坡度變緩，水流在兩邊的高度基本一致，同時(shí)流態(tài)平穩(wěn)，可以比較均勻地進(jìn)入消力池。在工況1條件下，水流在進(jìn)入消力池后呈現(xiàn)淹沒(méi)水躍，隨著庫(kù)水位的逐漸升高，淹沒(méi)水躍的躍首逐漸后移。在工況1條件下，消力池的水躍躍首在樁號(hào)0+364.50~0+366.47之間波動(dòng)；在工況2條件下，導(dǎo)流泄洪洞消力池的水躍躍首在樁號(hào)0+361.19~0+364.50之間波動(dòng)；在工況3條件下，導(dǎo)流泄洪洞消力池的水躍躍首在樁號(hào)0+361.18~0+357.43之間波動(dòng)。由此可見(jiàn)，消力池的設(shè)計(jì)深度和長(zhǎng)度均可以滿足導(dǎo)流泄洪洞的實(shí)際工作需求。在水流流出消力池后，以水面跌落的方式進(jìn)入聯(lián)合退水渠，水流在進(jìn)行擴(kuò)散的同時(shí)沖擊左邊墻，由于聯(lián)合退水渠與消力池下游退水渠的方向一致，因此水流折沖現(xiàn)象較弱，之后在聯(lián)合退水渠口再產(chǎn)生水面跌落后進(jìn)入下游河道，由于下游河道較為寬闊，因此水流狀態(tài)十分平穩(wěn)。4.3優(yōu)化設(shè)計(jì)方案水力參數(shù)分析。4.3.1沿程水面線分析。在對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行模型試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)不同工況下的導(dǎo)流泄洪洞洞身出口后的沿程水面線高度最大值進(jìn)行量測(cè)，結(jié)果如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在經(jīng)過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化之后，導(dǎo)流泄洪洞出口以后沿程各部分的最大水深均低于該部位邊墻高度，可以滿足不同工況下的泄流要求。4.3.2壁面壓強(qiáng)分析。對(duì)不同工況下導(dǎo)流泄洪洞拋物線以下各段的底板壓強(qiáng)進(jìn)行量測(cè)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。由表3的數(shù)據(jù)可知，導(dǎo)流泄洪洞的拋物線段在3種工況下均不容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象，說(shuō)明該段底部曲線設(shè)計(jì)比較合理；消力池段以及退水渠段的底板壓強(qiáng)均為正值，并且壓強(qiáng)數(shù)值的變化比較平緩，且分布合理。4.3.3沿程流速分布分析。對(duì)不同工況下導(dǎo)流泄洪洞拋物線及以下各段的沿程流速進(jìn)行量測(cè)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。由表4的數(shù)據(jù)可知，導(dǎo)流泄洪洞的水流流速沿程變化較大，且分布比較合理。同時(shí)，在3種工況下，導(dǎo)流泄洪洞洞身段出口后流速值未超過(guò)30m/s，因此認(rèn)為在各種不同工況下不會(huì)對(duì)建筑物本身造成空蝕破壞。

5結(jié)語(yǔ)

水利水電工程的導(dǎo)流泄洪洞對(duì)保證大壩安全建設(shè)以及工程建成后的安全運(yùn)行具有重要作用。遼寧省丹東愛(ài)河梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的梨樹(shù)園子水電站，利用水工模型試驗(yàn)的方法對(duì)該電站的導(dǎo)流泄洪洞展開(kāi)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。模型試驗(yàn)顯示，原設(shè)計(jì)方案存在消力池深度不足、長(zhǎng)度過(guò)小以及邊墻高度過(guò)低等問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在增加消力池深度、長(zhǎng)度和邊墻高度的同時(shí)，還減小了拋物線曲率，一方面可以保證在消力池內(nèi)產(chǎn)生淹沒(méi)水躍；另一方面可以改善水流流態(tài)，提高底板壓強(qiáng)，避免空蝕破壞的產(chǎn)生。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案完全滿足設(shè)計(jì)要求，推薦在工程設(shè)計(jì)中采用。

作者:劉利軍 單位:遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司