福生水电站冲沙闸水工模型试验研究

常云华，杨 效，李宗伟，吴 亮

（1.长春工程学院水利与环境工程学院，长春 130012；2.蛟河市水利局，蛟河 132500）

0 引言

福生水电站工程主要由挡水坝、溢流坝、泄水闸、冲砂闸、发电厂房组成。自由溢流坝布置在主河床右侧，坝段长度86.50 m；翻板门泄水闸坝段布置在主河床，共设22孔翻板门，冲砂闸坝段布置在主河床，坝段长度20.80 m 共设2个孔，每孔宽8.00 m，堰顶高程415.50 m；边墩厚1.50 m，中墩厚1.8 m，下游均采用底流消能型式，消力池池长16.0 m，池内布置消力墩以提高消能效果。

坝基为玄武安山岩，强风化带厚度一般2～3 m，以下为中等风化岩石。下游河道开挖后基本为岩基，当水深小于2 m时，中等风化基岩抗冲刷流速为2～3 m/s。

由于水电站位于松花江流域头道松花江中下游，且为河床式电站，水头低，流量大，因此下泄水流佛汝德数低，工程设计所采用的消能工能否满足设计要求以及泄流能力如何都需要模型进行试验研究。

1 试验研究内容

（1）验证冲沙闸各种频率洪水时的泄流能力。

（2）提供宣泄各种频率洪水时泄水建筑物上的水面线、流态及流速分布。

（3）提供宣泄各种频率洪水时消能效果及对下游冲刷影响。

（4）优化消能建筑物型式和详细的结构尺寸，并达到较好的消能效果。

2 设计提供的资料

福生水电站坝址处各频率洪水的洪峰流量见表1。

表1 坝址各频率洪水的洪峰流量及调洪成果

不同工况下的冲沙闸泄流量见图5（a）中原设计泄流曲线，尾水位按下游坝址水位流量关系查得。

3 模型设计与制作

根据模型试验的目的和要求，采用断面模型进行试验，试验在1 m宽的玻璃水槽内进行。模型几何比尺采用λ翻＝λL＝λH＝25。模型其他比尺见表2。

表2 模型比尺计算成果表

堰体部分采用水泥刮制，消力池及闸墩部分采用有机玻璃制作；上游河道按定床用红砖铺砌；下游河道按动床采用常规的散砂砾模拟。根据设计提供的河床地质岩石抗冲流速2.0 m/s，按依兹巴什公式抗冲流速/m·s－1；d——散沙料粒径/m；k—岩性系数，一般取5～7）计算得原型沙粒径，按模型比尺换算相应的模型砂粒径，并筛选该粒径范围的散砂砾作为模型砂。

冲沙闸设计方案模型布置见图1。

图1 冲沙闸设计方案模型布置图

4 模型试验

冲砂闸原设计消力池池深1.5 m，尾坎高1.5 m，池长同溢流坝16.0 m，布置单排消力墩，墩高1.5 m，垂直水流方向墩间距1.5 m，试验中对不同的消力墩布置和尺寸及尾坎高进行了优化。

优化方案1（双排小墩）：消力池池长不变，消力墩布置成2排，消力墩顺水流方向顶宽0.3 m，底宽1.3 m，高1.0 m，垂直方向宽1.0 m，间距2.0 m，两排消力墩净距2.0 m。

优化方案2（双排墩前小后大）：池长布置不变，将第2排消力墩尺寸加大，顺水流顶宽0.3 m，底宽1.8 m，高1.5 m，垂直水流方向净距2.0 m。

优化方案3（双排，前大后小）：将上游第1排消力墩0＋016.7布置大墩，之后0＋020布置小墩，尾坎高度由原设计的1.5 m高减小为1.25 m。

4.1 泄流能力

模型试验分别对原设计及优化方案的冲沙闸闸门全开时在上游不同运行水位情况下的泄流能力进行了试验，下游水位按泄水建筑物全部开闸泄水确定，泄流曲线见图2。

图2 冲沙闸试验各方案泄流曲线

将冲沙闸的试验曲线经拟合后得到冲沙闸试验推荐方案的泄流曲线，拟合度达到0.9963，拟合较好，拟合后的泄流曲线见图3。

图3 冲沙闸试验推荐方案泄流曲线

4.2 流速、流态及水面线

对原设计及各优化方案在宣泄各种频率洪水时泄水建筑物全部开敞泄流的水面线、流态及流速分布进行了试验观测，典型工况成果见图4和图5。

在校核和设计洪水工况下，原设计方案及优化方案过闸水流流速均较大，受闸墩影响，墩前水面雍高，闸后水流水跃不稳定，形态较小，水跃跃前发生在消力池前部，跃后止于消力墩与尾坎之间，下游水流表面波动较大，下游试验段70 m长河道冲刷均较严重，原设计方案在桩号0＋40.00左右有间歇性二次水跃产生，优化方案3二次水跃不明显。

流量632.758 m3/s，上游水位423.36 m，下游水位420.91 m

流量470.27 m3/s，上游水位422.08 m，下游水位419.70 m

图4 冲沙闸原设计方案水面线及流速图

流量565.328 m3/s，上游水位422.76 m，下游水位420.42 m

流量316.130 m3/s，上游水位420.78 m，下游水位418.42 m

图5 冲沙闸优化后采用方案水面线及流速图

在消能设计工况下，闸前水流流速较大，流态较平稳，入池水流形成水跃，水跃发生在护坦中部，止于消力墩前，池内水体紊动充分，出池后水流流速较大，水面有波动，原设计方案及优化方案1、优化方案2均有间歇性二次水跃产生，下游河道冲刷较严重。

在小洪水工况下，闸前水流流态较平稳，水跃发生在消力池中部，止于消力墩前，紊动较充分，除优化方案3外，其他方案出池后水流均产生不稳定的二次水跃。

4.3 消能冲刷

4.3.1 消能率

底流式消力池利用水跃消能，消能效果可用消能率来判断，计算公式如下：

式中：kj——消能率，%

E0——以消力池底起算的上游总水头，E＝

T0＋α0υ02/2g

Et——池后剩余水头，E0＝Tt＋αtυt2/2g

根据试验数据计算各种工况下的消能率结果如表3。

表3 冲沙闸消能率试验成果汇总表

从结果看，原设计方案、优化方案1、优化方案2消能效果基本接近，优化方案3的消能效果优于其他方案。

表4 实测冲沙闸冲刷深度及位置表

4.3.2 池后冲刷

出池后的水流仍有较大的余能，对下游河道产生冲刷。实测各种工况的冲刷深度及位置见表4。

5 结语

（1）实测结果表明，设计方案、优化方案1、优化方案2和优化方案3随着上游水位的抬高，冲砂闸泄流能力加大趋势较设计计算值明显，泄流量均能满足设计要求。

（2）优化方案3除土石坝校核洪水工况外，下游均没有二次水跃产生，其他方案在各种工况下池后均产生不稳定的二次水跃，分析可能是由于流速大尾坎较高所致；消能率在19%～27%之间；冲坑深度较深，最大冲坑深3.27 m，最小冲坑深1.78 m，冲坑上游坡比满足规范要求。

（4）下游河道右侧较左侧冲刷严重，最大相差近1 m，分析是消力池两侧导墙布置不对称引起。

（5）实测原设计方案各工况泄流量均大于设计计算值；3个优化方案除小洪水5 a一遇工况略低于设计值外，其他工况均大于或等于设计值，泄流能力满足要求；设计方案、优化方案3在消能设计工况下的消能率分别为24.14%和25.11%，较优化方案1和优化方案2大，其他工况下优化方案3略大于设计方案；从冲坑深看，设计方案、优化方案3的冲坑深度也小于其他两个方案，而设计方案又小于优化方案3，且冲坑上游坡比也是设计方案略缓；池长相同，设计方案为单排消力墩，施工较为简单；冲砂闸实测下游河道冲刷深度均比溢流坝、翻板门泄水闸大，这也符合冲砂闸的功能要求。经分析对比，建议选用优化方案3。

［1］SL155－95，水工（常规）模型试验规程［S］.

［2］南京水利科学研究院，中国水利水电研究院.水工模型试验［M］.北京：水利水电出版社，1985：12－149.

［3］吴持恭.水力学［M］.北京：高等教育出版社，1983：158－241.

［4］武汉大学.水利力计算手册［M］.北京：水利水电出版社，2008：359－412.