旬阳水电站泄流能力试验研究与体型优化

　　摘要：本文以旬阳水电站冲沙闸、左三孔泄洪闸和右四孔泄洪闸单体水工模型试验为例，对中低水头大泄量闸坝式水工建筑物在大淹没度运行工况下泄流量的变化规律进行试验研究和分析，并针对模型泄流能力不足的缺陷对各泄洪闸体型进行优化。
　　关键词：闸坝；低水头；大淹没度；泄流能力；流量系数；体型优化
　　我国拥有十分丰富的中低水头水利资源，据不完全统计，经过规划的水头在25m以下的低水头水电站约为13400MW，这类水电站多具有中低水头、大流量以及泄水建筑物运行时上下游水位落差变幅大等特点[1]。北京国电水利水电工程有限公司采用回归自然，和谐利用水能资源的设计理念对旬阳水电站泄洪建筑物进行全闸方案设计，其原因在于：（1）最大限度满足汛期过流能力需求：汉江汛期流量巨大（千年一遇洪水设计流量达32600m3/s），且汛期过流时淹没度较高，在此情况下，增大溢流坝段的宽度是满足泄流能力设计最有效的途径。（2）最大程度减轻了汛期下游河道及岸坡冲刷：汉江汛期过流时淹没度较高，其上下游水流衔接为淹没水跃或不完全水跃[2]，此时，河床底部及两岸岸坡近壁流速较小，河道冲淤状态较为理想，泄洪建筑物规模可相对简化。（3）有效的减小了库区淹没面积：旬阳水电站距旬阳县城仅2km，采用全闸方案可有效降低库水位，减少库区淹没面积及移民人口数量，降低工程造价。
　　1.工程简介
　　旬阳水电站位于陕西省旬阳县城南约2km，是汉江干流规划的七个梯级电站的第五个梯级开发项目，该电站坝顶高程244m，最大坝高55m，属中低水头水工建筑物。该电站泄洪闸共分三部分组成，即冲沙闸（4孔）、左三孔泄洪闸（3孔）和右四孔泄洪闸（4孔）[3]~[5]，其中，冲沙闸采用开敞式低实用堰体型设计（）[6]，考虑到输沙运行需要，堰顶高程设置为216m，堰宽设置为13m；左三孔泄洪闸采用开敞式低实用堰体型设计（），堰顶高程设置为219m，堰宽设置为16m；右四孔泄洪闸采用宽顶堰体型设计（），堰顶高程设置为219m，堰宽设置为16m；具体如图1-1、图1-2所示。
　　
　　图1-1枢纽平面布置图
　　
　　（a）冲沙闸（b）左三孔泄洪闸
　　
　　（c）右四孔泄洪闸
　　图1-2各溢流坝段体型剖面图
　　2.模型设计与流量量测
　　本次旬阳水电站各泄洪闸模型按重力相似准则进行设计，模型比尺1：50，用有机玻璃制作。根据试验研究需要，各泄洪闸模型制作均包含1个完整闸孔（含闸墩）及两侧各1/4闸孔；闸前水位和下游水位测点位置分别设定在桩号K0-050m处和桩号K0+350m处，采用水位测针进行量测以保证量测精度；试验时，模型流量采用薄壁堰进行量测。
　　表2-1：模型试验工况
　　试验
　　工况 洪水标准 库水位（m） 下游350m处水位（m） 1+2×1/4孔设计流量（m）
　　  冲沙闸 左三孔
　　泄洪闸 右四孔
　　泄洪闸  冲沙闸 左三孔
　　泄洪闸 右四孔
　　泄洪闸
　　1 常遇洪水前 241   218.96   
　　2  233   222.37 2227.53  
　　3  233 233  225.44 2227.53 1956.80 
　　4 常遇洪水(p=50%) 233 233 233 228.82 2227.53 1956.80 1956.80
　　5 5年一遇(p=20%) 233 233 233 231.6 2227.53 1956.80 1956.80
　　6 20年一遇(p=5%) 236.27 236.27 236.27 235.51 2721.11 2582.08 2582.08
　　7 50年一遇(p=2%) 239.38 239.38 239.38 238.43 3202.52 3200.81 3200.81
　　8 100年一遇(p=1%) 240.25 240.25 240.25 239.48 3368.09 3395.79 3395.79
　　9 1000年一遇(p=0.1%) 243.28 243.28 243.28 242.1 3898.20 4020.00 4020.00
　　3.泄流能力及其影响因素分析
　　3.1泄流能力试验
　　分别对冲砂闸、左三孔泄洪闸和右四孔泄洪闸泄流能力进行试验，并引入参数相对流量差对量测结果进行分析（相对流量差=（实测流量-设计流量）/设计流量×100%）：（1）冲砂闸1+2×1/4孔开启时，实测库水位与设计库水位之差为-0.450m～0.610m之间，相对流量差为-4.763%～5.181%之间；其中，20年一遇洪水位100年一遇洪水位与1000年一遇洪水位相对流量差分别为-2.246%、-2.021%和-2.776%。（2）左三孔泄洪闸1+2×1/4孔开启时，实测库水位与设计库水位之差为-0.425m～0.973m之间，相对流量差为-8.084%～3.851%之间；其中，20年一遇洪水位、100年一遇洪水位与1000年一遇洪水位相对流量差分别为-6.038%、-5.625%和-3.699%。（3）右四孔泄洪闸1+2×1/4孔开启时，实测库水位与设计库水位之差为-1.335m～0.220m之间，相对流量差为-7.874%～2.071%之间；其中，20年一遇洪水位、100年一遇洪水位与1000年一遇洪水位相对流量差分别为-6.037%、-6.42%和-5.565%。
　　泄流能力试验表明，三种泄洪闸的实际泄流能力均偏小于设计值。按照设计规范[7]，冲沙闸泄流能力基本能够满足设计要求（），而左三孔和右四孔泄洪闸泄流能力均不能满足设计要求（），需进行体型优化。
　　3.2淹没度对泄流能力的影响分析
　　3.2.1公式及参数定义
　　旬阳水电站各泄洪闸泄流能力均满足堰流流量计算公式，其中，，，[8]。其中，为淹没系数，为流量系数，为综合流量系数，为堰孔数量，为堰宽，为堰上水头，为下游水位超堰顶水深，为上下游水位相对淹没度，示意图见图3-1所示。
　　
　　图3-1溢流坝段上下游水位淹没度计算各参数示意图
　　3.2.2数据分析
　　根据与关系曲线[8]及相关参数对单宽流量、、和进行计算，计算结果见表3-1。
　　由表3-1可见，随着闸前水位的升高，各泄洪闸的均随的上升呈逐渐减小趋势，其中：冲沙闸的在0.387~0.928之间变化时，在0.299~0.387之间变化；左三孔泄洪闸的在0.67~0.919之间变化时，在0.3~0.375之间变化；右四孔泄洪闸的在0.719~0.912之间变化时，在0.289~0.365之间变化。由此可见，虽然冲沙闸、左三孔泄洪闸堰顶高程相差3m，但其在较高时，其实测相差较小；而右四孔泄洪闸实测略低于冲沙闸、左三孔泄洪闸，其原因主要在于所采用的宽顶堰体型本身过流能力小于低实用堰过流能力的缘故。
　　表3-1：溢流坝段各参数计算表
　　泄水建筑物 工况编号 实测闸前水位
　　（m） 
　　（m3/s） 
　　
　　
　　
　　冲沙闸 1 -- -- -- -- --
　　 2 231.9 114.232 0.387 0.967 0.387
　　 3 231.93 114.232 0.573 0.904 0.386
　　 4 232.19 114.232 0.767 0.828 0.377
　　 5 232.94 114.232 0.894 0.634 0.354
　　 6 236.47 139.544 0.927 0.512 0.327
　　 7 239.56 164.232 0.927 0.514 0.311
　　 8 240.64 172.722 0.928 0.509 0.306
　　 9 243.615 199.914 0.920 0.542 0.299
　　左三孔泄洪闸 1 228.445 49.433 0.670 0.869 0.375
　　 2 232.08 81.534 0.732 0.845 0.375
　　 3 233.245 81.534 0.866 0.706 0.332
　　 4 237.025 107.756 0.896 0.628 0.308
　　 5 239.775 133.093 0.913 0.57 0.306
　　 6 240.875 141.589 0.914 0.566 0.302
　　 7 243.49 167.444 0.919 0.546 0.3
　　右四孔泄洪闸 1 232.345 81.534 0.719 0.851 0.365
　　 2 233.15 81.534 0.872 0.659 0.335
　　 3 236.835 107.756 0.905 0.489 0.313
　　 4 239.81 133.093 0.912 0.598 0.306
　　 5 241.085 141.589 0.906 0.624 0.297
　　 6 244.135 167.444 0.897 0.631 0.289
　　图3-2即为冲砂闸、左三孔泄洪闸和右四孔泄洪闸与关系曲线，其中，冲沙闸与关系曲线变化规律最为明显：在时，变化范围较小，此时量测误差对造成的偏差相对可控；而在时，变化范围较大，此时的量测误差将造成计算值与实际值偏离较大，已不能不稳定。
　　
　　图3-2各溢流坝段与关系曲线
　　3.2.3实测泄流能力变化规律
　　图3-3描述了冲砂闸、左三孔泄洪闸和右四孔泄洪闸的闸前水位与相对流量差的关系曲线，由图可知，三条曲线的变化趋势基本一致，均存在明显的拐点，其中，冲沙闸曲线拐点位于实测闸前水位232.5m，左三孔泄洪闸和右四孔泄洪闸曲线拐点位于实测闸前水位235.8m，当,实测闸前水位高于拐点水位时，相对流量差在一定范围内呈波动状态，此时的取值已不稳定，这也应证了上述分析。
　　
　　图3-3各溢流坝段实测闸前水位与相对流量差μ关系曲线
　　4.体型优化
　　根据试验研究与分析，旬阳水电站左三孔泄洪闸和右四孔泄洪闸泄流能力不满足设计要求，为使两者泄流能力达到设计要求，则必须对两者的体型进行修改并加以验证。
　　4.1体型优化措施选定
　　旬阳水电站左三孔泄洪闸和右四孔泄洪闸体型优化共有两种途径，即增大堰上水头或增大净过水断面宽度。
　　（1）增大堰上水头：增大堰上水头可通过降低堰顶高程或升高坝顶高程两种方式实现，通常状况下，升高坝顶高程意味着将增加高昂的征地移民补偿费用，故不考虑此方案；在此，仅考虑以降低左三孔泄洪闸和右四孔泄洪闸堰顶高程的方式增大其泄流能力。根据本文所述和的对应关系，若降低左三孔泄洪闸和右四孔泄洪闸的堰顶高程至216m，其综合流量系数变化很小，泄流能力变化也相应较小，故此方法仍不能满足设计要求。
　　（2）增大净过水断面宽度：增大净过水断面宽度是增大过流能力最直接有效的方法。增大净过水断面宽度可通过增大单孔闸宽、闸孔数量，或综合改变单孔闸宽、闸孔数量的方式增大净过水断面宽度。但无论采用哪种方式，都将对工程造价产生较大的影响[7]。因此，在体型修改时必须平衡闸室各项水力特性、闸门设备及启闭力，以及增大岸坡开挖工程量、工程造价等诸多因素综合确定最终体型。
　　综上所述，在综合考虑各项体型优化措施的基础上，设计单位及科研单位对旬阳水电站溢流坝段体型进行了较大范围的修改[9]，并最终确定如下：（1）将原冲沙闸、左三孔泄洪闸和右四孔泄洪闸布置调整为12孔体型完全相同的冲沙泄洪闸（分为右七孔冲砂泄洪闸和左五孔冲砂泄洪闸），堰型均为低实用堰堰型。（2）将12孔冲沙泄洪闸堰高调整为216m，堰宽调整为14m；与原方案相比，最终方案总过流断面净堰宽增加4m。（3）右七孔冲砂泄洪闸和左五孔冲砂泄洪闸之间设置宽为18m的导墙，右导墙在施工期兼做施工纵向围堰，下设竖井、交通廊道和集水井。
　　4.2优化体型的泄流能力分析
　　为验证上述优化体型的泄流能力，并寻求最合理的堰宽尺寸，在此，对堰宽分别为13m、13.5m和14m时的泄流能力进行分析。为确保校验成果的准确性，试验采用了定流量定下游水位算闸前水位和定闸前水位定下游水位算流量两种方式进行效验，效验成果见图4-1和4-2：（1）堰孔单宽13m的泄洪闸在设计流量2960m3/s（即20年一遇）以下满足设计要求，而20年一遇以上工况不能满足要求。（2）堰孔单宽13.5m的泄洪闸在设计流量3650m3/s（即100年一遇）以下满足设计要求，只有1000年一遇不能满足设计要求。（3）堰孔单宽14m的泄洪闸的流量全部满足设计要求。
　　
　　图4-11+2×1/4孔各单宽闸前水位对比图4-21+2×1/4孔各单宽流量对比
　　(定流量定下游水位算闸前水位)(定闸前水位定下游水位算流量)
　　综上所述，在3组堰宽体型中，只有堰宽为14m时各工况泄流能力均满足设计要求，故堰宽选定为14m是合理的。
　　5.小结
　　本文通过对旬阳水电站泄流能力试验研究与体型优化，得到中低水头闸坝式水工建筑物的泄流能力设计要点如下：（1）由于之间变化时的取值常常难以准确把握，故在进行中低水头闸坝式水工建筑物泄流能力设计后，必须进行模型试验对泄流能力进行验证，确保其满足设计要求[8]~[10]。（2）若低水头闸坝式水工建筑物设计泄流能力不足，则主要考虑以通过增大和的方式增大其泄流能力，并使其泄流能力满足设计要求；在确定最终优化体型时，设计人需综合考虑优化后闸室内各项水力特性，以及闸门设备及选型、岸坡开挖等诸多影响工程造价的因素综合进行确定。
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