谭宇静，欧阳庆晓

（中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610）

1 概况

某水电站大坝为混凝土重力坝设计,最大坝高为34.35 m。电站的泄水建筑物为表孔溢洪道,主要引渠段、控制段、圆弧段、斜坡段、反弧段和挑坎段等6 部分组成。其中,引渠段的底板高程为321.50 m,长31.49 m；控制段的顶高程342.20 m,长30.0 m；控制段以下为圆弧段,该段采用的是典型的WES堰,堰顶高程为325.00 m,堰宽12.0 m；圆弧段以下为泄槽段,其侧墙高度为12.00 m；泄槽段以下为反弧段,其设计半径为38.726 m,挑坎段的挑角32.20°,宽度为12.0 m。溢洪道的现场地质调查结果显示,进口段局部存在高风化岩层。为了避开上述地质不利部位,在设计中采取了两端不对称的进口形态,右侧为依附山体的倾斜边墙设计,左侧为高导流墙设计。其中右侧高10 m,长35.0 m,左侧导流墙高3.0 m,长25.0 m。

2 模型试验设计

2.1 模型制作

水力学问题往往比较复杂,因此模型试验的方法仍具有显著的优势,对解决相关问题具有重要的帮助[1]。根据研究对象的特点和实际需要,本次模型试验的模拟范围为溢洪道和上游部分库区,总长148.62 m。其中溢洪道段长83.62 m,上游库区段长65 m。鉴于本次研究的水流主要受到自身重力作用的影响,在试验模型设计中采用重力相似性原则。结合研究场地条件,模型制作中选择1∶40的几何比尺[2]。模型的溢洪道段采用有机玻璃制作,以模拟工程实际糙率,误差不超过2 mm[3],模型的其余部分采用PVC板材制作,误差控制在5 mm以内[4]。

2.2 测量设备

试验过程中的水深用直钢尺测量；水流流速利用便携式流速仪测量；压强采用多功能检测系统和压力传感器测量,流量则采用宽矩形量水堰测量[5]。研究过程中按照上述要求做好实验模型,并布置好相应的压强和流速测点,然后开始试验,并测量和记录相关数据[6]。

2.3 试验内容

试验在水电站的校核水位（339.80 m）工况下进行,对原设计方案和优化方案条件下的溢洪道的水力特征数据进行观测、记录和分析,提出不合理的体型和相应的优化意见,在说明优化方案的有效性与可靠性的同时,也可以为非对称进口溢洪道的设计提供必要的技术支撑[7]。

3 试验结果与分析

3.1 原设计方案试验结果

3.1.1 进口流态试验结果与分析

根据原设计方案制作好试验模型,在校核水位工况下进行试验。根据试验结果,绘制出如图1 所示的335.0 m高程进口流速和流线分布图。由图可知,在溢洪道启用过程中,受到非对称进口的影响,上游的水流会按照一定的角度进入溢洪道,并因之产生较大的环流量,在主流和固体边界之间形成了一个逆时针漩涡,宽度约12 m左右。同时,由于来流出现了比较剧烈的收缩转向和回流,造成水体的边界部位雍高滞留区,恶化了溢洪道引渠段进口的水流流态。究其原因,主要是溢洪道进口的边界不规则,因此水利分布的均匀性明显偏差,并导致进口部位的导流墙难以充分发挥作用,水流的扰动作用比较强烈,进而影响到溢洪道内部的整体水流流态[4]。因此,在原设计方案下,溢洪道内部的水流流态稳定性明显偏差,不利于溢洪道建筑物的运行安全,需要进行优化设计[8]。

图1 原方案进口流速和流线分布图

3.1.2 沿程水位试验结果

利用试验中获取的沿程水位数据,整理获得原方案下的沿程水位线,结果见图2。由图可知,在原设计方案下,溢洪道内部的水流流态明显偏差,主要表现为水位的沿程波动性偏大。由于非对称导流墙的影响,来流在惯性力和转弯离心力的作用下产生侧向倾斜,产生显著的水面横比降,进而造成水面超高,特别是控制段和圆弧段存在十分明显的水位雍高现象。在圆弧段,水面高差达到峰值,为2.01 m,超高的水流几乎跃出边墙。这说明,由于离心力的作用水面的整体平衡受到严重影响,使溢洪道的水体呈现出显著的复杂动荡变化特征。

图2 原方案沿程水位线

3.1.3 堰面压强试验结果与分析

利用实验中获取的数据,计算出溢洪道堰面压强水头,结果见表1。由表中的结果可以看出,溢洪道圆弧段底板的压强明显偏小,并出现负压,可能在运行过程中出现比较明显的水流空化现象,对底板结构的稳定性不利。

表1 各测点压强水头

3.2 优化方案设计

基于原设计方案在试验过程中表现出的问题,结合背景工程的实际情况,特别是工程布置情况,对原方案进行优化设计：将原设计方案中的喇叭口翼墙改为平直设计方式,并与溢洪道的中轴线平行,其长度设计为20 m,高度增加至13.6 m。在溢洪道进口的外侧2.0 m处设置两道与中轴线垂直的直墙,顶部为半圆柱设计,直径为1.8 m,顶部高程为335.5 m。其主要作用是减小水流爬高,减轻水流的收缩效应。

3.3 优化设计方案试验结果与分析

3.2.1 进口流态试验结果与分析

按照优化后的设计方案,对试验模型进行改造并进行试验。在校核水位工况下,利用 335.0 m高程的试验数据,绘制出如图3 所示的溢洪道进口流速和流线分布图。由图可知,在优化方案条件下,由于导流墙充分发挥除了阻水作用,原方案下库区水流的紊乱流态改善作用较为明显,水流较为平顺,虽然在靠近左岸边墙的部位仍旧存在一定的回流现象,但是区域和强度明显减小,影响极为有限。总体而言,优化方案可以显著改善进口流态,取得了十分明显的优化效果。

3.2.2 沿程水位试验结果与分析

利用试验过程中获取的沿程水位,绘制优化方案条件下的沿程水位线,结果见图4。由图可知,改进后的导流墙对引渠段的水流紊动作用产生了明显约束,水流的下泻更为顺畅,提高了溢洪道沿程的水位分布均匀度,特别是水位分布均匀度明显不理想的控制段至圆弧段改善效果十分明显,水位超高值降低到0.76 m,符合工程设计要求,虽然挑流消能段仍存在明显的水体波动,但是幅度大为减小,符合工程设计中的水位要求。

图4 优化方案沿程水位线

3.2.3 堰面压强试验结果与分析

利用实验中的数据,计算出优化方案下的堰面压强水头,结果见表2。由表中的计算结果可以看出,优化方案下的沿程压强分布较为均匀,压强峰值明显减小,虽然在溢洪道的圆弧段仍旧存在局部的负压现象,但是数值仅为-0.04 MPa,不会造成明显的水流空化现象,对水工结构的影响可以忽略不计。因此,优化方案可以明显改善原始方案中圆弧段的负压现象,减轻水流对水工结构的不利影响,取得了良好的优化效果。

表2 各测点压强水头

4 结论

以某水电站为例,利用模型试验研究的方法对非对称来流条件下的溢洪道进口体型进行优化,获得的主要结论如下：

（1）原设计方案水流流态较差,存在比较明显的滚漩和漩涡,容易造成溢洪道结构的振动,不利于安全运行。优化方案的水流流态明显改善,滚漩和漩涡基本消失,溢洪道内部的水流分布较为均匀。

（2）在原设计方案下溢洪道内部的水流流态明显偏差,水位的沿程波动性偏大；优化方案条件下,导流墙对引渠段的水流紊动作用产生了明显约束,水流的下泻更为顺畅,提高了溢洪道沿程的水位分布均匀度。

（3）原设计方案条件下,溢洪道圆弧段存在比较明显的负压,可能在运行过程中出现比较明显的水流空化现象,对底板结构的稳定性不利。优化方案下溢洪道的圆弧段虽然仍旧存在局部的负压,但是数值仅为-0.04MPa,对水工结构的影响可以忽略不计。

（4）优化设计方案对改善溢洪道水力特征具有显著作用,建议在工程设计中采用。