紫坪铺水利枢纽工程溢洪道控制段机翼形堰水力特性研究

2021-01-05邹骏

四川水利 2020年6期

邹骏

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

1 工程概况

紫坪铺水利枢纽工程位于四川省成都市都江堰市境内岷江上游的麻溪乡，距成都市60余千米，是一座以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益的大型水利枢纽工程。

坝址以上控制流域面积22662km2，水库正常蓄水位877.00m，汛期限制水位850.00m，防洪高水位861.60m，设计洪水位871.20m，校核洪水位883.10m，正常蓄水位库容9.98亿m3，防洪库容1.664亿m3，调节库容7.74亿m3，校核洪水位以下的总库容11.12亿m3，为不完全的年调节水库。水库控制灌溉面积约93.33万hm2，水电站装机容量4×190MW，多年平均发电量34.17亿kW·h。根据枢纽工程的规模、效益及重要性，紫坪铺水利枢纽工程属大(1)型工程。

水库枢纽工程由混凝土面板堆石坝、溢洪道、泄洪排沙隧洞、冲沙放空隧洞、引水发电隧洞和发电厂房等永久性建筑物组成。枢纽工程为Ⅰ等工程，主要挡水建筑物为1级建筑物，按1000年一遇洪水设计(流量8300m3/s)，可能最大洪水校核(流量12700m3/s)；发电厂房为2级建筑物，按100年一遇设计洪水设计，500年一遇洪水校核。雍水建筑物大坝地震设计烈度为Ⅷ度，其余永久性建筑物地震设计烈度为Ⅶ度。

枢纽主要建筑物布置自左岸至右岸依次为混凝土面板堆石坝、岸边式溢洪道、电站进水口及4条引水发电隧洞、冲沙放空隧洞、1#和2#泄洪排沙隧洞，地面厂房布置在坝后右岸。

溢洪道紧靠大坝右坝肩布置，左邻大坝，右接电站进水塔，轴线方向NW19°。由进口段、控制段、泄槽段及挑流段组成。

可研阶段暂定溢洪道控制段净宽为3孔宽12m，堰顶高程864.00m、堰踵高程861.00m，控制段堰型为WES型。根据可研阶段审查意见，初步设计阶段确定溢洪道规模的原则为：

(1)一条泄洪排砂洞正常运行，另一条备用；

(2)冲砂放空洞发生事故不能运行；

(3)限制电站运行，电站发电引用流量为400m3/s；

(4)宣泄可能最大洪水时，最高水库水位控制在885.00m左右。

根据上述原则确定的溢洪道规模为：单孔开敞式，控制段孔口尺寸为12m×17.5m，堰顶高程860.00m、堰踵高程857.00m。

根据水库调洪演算，当发生设计洪水时，溢洪道下泄流量825m3/s，相应的水库水位为871.20m；当发生可能最大洪水时，溢洪道下泄流量2445m3/s，相应的水库水位为883.10m。溢洪道的运行方式为：当水库水位达到870.00m，开启闸门泄洪；当水库水位回落至870.00m，闸门关闭。

2 溢流堰体型设计

初步设计阶段初定溢洪道控制段实用堰为WES-Ⅴ型堰，堰顶高程860.00m、堰踵高程857.00m(上游堰高P1=3m)，定型设计水头为Hs=18.52m，溢流前缘净宽15m，堰面下游以半径14m的反弧连接纵坡为9%的泄槽底板。

由于本工程实用堰P1/Hs=0.162，远小于1.33，具有突出的低堰水力特性。河海大学王世夏教授在“机翼形堰用作溢洪道控制堰的分析研究”一文中介绍了机翼形堰，为取得较为满意的堰面曲线，进行了机翼形堰与WES-Ⅴ型堰在水力特性方面的比较，并委托河海大学对两种堰型进行数学模型计算和物理模型试验，在此基础上进行溢洪道单体模型试验。

机翼形堰堰面曲线方程为：

式中：P——上游堰髙；

C——沿X轴的堰长。

堰前端与半径为R的圆弧相接，且R/C=4.408(P/C)2。

为便于两种堰型的比较，机翼形堰采用与WES-Ⅴ型堰型相同的轮廓形态控制参数：堰顶高程860.00m，堰踵高程857.00m，即：P=3m、C=15m(P/C=0.2)；堰面下游以半径14m的反弧连接纵坡为9%的泄槽底板。

两种堰型的体型设计见图1、图2。

图1 机翼形堰剖面

图2 WES-Ⅴ型堰剖面

3 水力特性试验

水工模型试验是在进口扩散段、引渠段优化前以及溢洪道的泄流宽度为15m条件下进行的，两种堰型具有相同的边界条件，下面仅从泄流能力和堰面动水压力分布对两种堰型进行比较。

两种堰型的泄流能力为闸门全开下泄流量的实测值换算成原型数值，流量系数按堰流公式计算：

式中：m——流量系数，包含侧收缩的影响；

Q——模型实测下泄流量换算成原型数值，m3/s；

B——孔口宽度，B=15m；

H——堰上水头，H=Z库-860.00m。

3.1 机翼形堰的泄流能力及堰面动水压力分布

机翼形堰的泄流能力及堰面动水压力分布见表1、表2以及图3、图4。

表1 机翼形堰泄流能力

表2 机翼形堰堰面及下游反弧动水压力(m水柱)

图3 机翼形堰泄流能力

图4 机翼形堰堰面动水压力分布(m水柱)

3.2 WES-Ⅴ型堰的泄流能力及堰面动水压力分布

WES-V型堰的泄流能力及堰面动水压力分布见表3、表4以及图5、图6。

表3 WES-Ⅴ型堰泄流能力

表4 WES-Ⅴ型堰堰面及下游反弧动水压力(m水柱)

图5 WES-Ⅴ型堰泄流能力

图6 WES-Ⅴ型堰堰面动水压力分布(m水柱)

3.3 泄流能力试验结果对比

由表1和表3可以看出，机翼形堰和WES-Ⅴ型堰的泄流特性基本一致。闸门全开情况下，库水位约为875m(堰顶运行水头H与上游堰高P的比值等于5)附近时，过堰水流的流量系数m值均达到最大，分别为0.452和0.454，相应下泄流量分别为1745m3/s和1750m3/s。库水位约低于875m时，过堰水流的泄流能力与一般实用堰的泄流特性一致，流量系数m值随堰顶运行水头减少而减少；库水位约高于875m以后，由于堰高仅3m，溢流堰对过堰水流的控制作用随着库水位升高而逐渐降低，按堰流公式所得流量系数m值亦随库水位的升高而减小。当库水位为880.00m、885.00m时，机翼形堰的流量系数分别为0.430和0.414，相应下泄流量分别为2556m3/s和3440m3/s；WES-Ⅴ型堰的流量系数值分别为0.431和0.413，相应下泄流量分别为2562m3/s和3433m3/s。故在泄流能力方面两种堰型的泄流能力甚为接近。

3.4 堰面动水压力分布试验结果对比

由表2和表4可以看出，机翼形堰和WES-Ⅴ型堰堰面曲线及反弧段内动水压力分布规律基本相同。库水位877.00m以下时动水压力均为正压，库水位较高时堰顶附近均出现负压，但WES-Ⅴ型堰堰顶附近出现的负压区范围及负压值均较机翼形堰面略大，库水位885.00m时堰顶处负压值分别为2.91m和2.43m水柱高。在堰顶动水压力方面，机翼形堰略优于WES-Ⅴ型堰。