唐河水电站泄洪闸模型试验研究

郭天明

1 工程概况

唐河水电站坝址位于灵丘县东河南镇韩淤地村西170m处，距县城约22km，最大坝高30.4m，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物有拦河坝、泄洪闸、灌溉洞和供水管道取水口。

泄洪闸布置在河床左段，面板堆石坝与混凝土重力坝之间，桩号为0+069—0+115.5。泄洪闸轴线与大坝轴线垂直，最大泄洪量2033m3/s，设计泄量1729m3/s。

泄洪闸由进口段、闸室段、消力池、海漫段及铅丝笼段组成，总长173.5m。进口段长35.93m（桩号为0-038.54—泄0+000），底高程1037.0m，进口为带胸墙的宽顶堰，底板高程1048.0m，共5孔，每孔净尺寸为6.5m×6.5m，闸室底板和闸墩为混凝土。闸室段长26.5m，桩号为泄0+000—泄0+026.5，闸室总净宽41.5m。闸室后接消力池，池长35m，桩号为0+026.5—0+073.5，池宽41.5m，池深3m。消力池前设一段12m长的陡坡，坡度1∶4.0。消力池及陡坡均为混凝土。消力池后接海漫，长度为50m，桩号为0+073.5—0+123.5，上游宽41.5m，下游宽41.5～53.8m。海漫底板与侧墙均为混凝土，海漫左侧墙长50m，与海漫轴线呈4°夹角。左侧墙长为25m，与轴线呈10°夹角。海漫后为长50m的铅丝笼，桩号为0+123.5—0+173.5。铅丝笼宽103.8m，其后接河道，河道表面为混合土卵石和作物等，河道不够规则。

2 模型设计

2.1 模型比尺

在保证模型水流流态与原型相似的条件下，根据原型泄洪闸等建筑材料和尺寸及试验场地情况，同时按照水工模型试验的有关规程，确定几何比尺为100。

2.2 试验系统及模型布置

2.2.1 试验系统

试验系统由八部分组成，即：模型水库、模拟试验段、退水槽、退水渠、地水库、水泵、流量计和控制阀。水泵从地下水库抽水，经流量计量后送入模型水库，流经模型试验段后，经退水槽和退水渠流回地下水库，流量大小由控制阀调节。

2.2.2 测点布置

模型试验段主要包括闸室段、消力池、斜坡、海漫段、铅丝笼段及下游河道。本文主要研究泄洪闸5孔全开时在设计水位和校核水位下泄流时的水流特性。模型测点布置如图1所示。其中，测线1是沿泄洪闸中线的方向布设，测线2是沿主河道的方向布设。

图1 模型测点布置图

2.2.3 模型材料

根据原型材料和模型糙率比尺，闸室段、消力池、斜坡及海漫段皆用有机玻璃制作，铅丝笼段用网砂包石子模拟，河道表面用水泥沙浆掺细小碎石模拟。

3 试验结果分析

3.1 库水位与泄量之间的关系

图2 库水位与泄量的关系

从图2可以看出：在相同流量条件下，设计工况Qv=1729m3/s库水位的试验结果与水力学理论计算结果基本相同；流量小于设计工况时，试验测得的库水位略高于水力学理论计算结果，最大偏差不超过0.204%；流量大于设计工况时，试验测得的库水位低于水力学理论计算结果，最大偏差不超过0.384%。

3.2 泄洪闸全开时沿主河道方向的水面线分布

泄洪闸全开时，在设计流量与校核流量两种工况下，沿主河道的水面线分布如图3所示。

图3 （a） 设计工况下沿主河道水面线

图3（b） 校核工况下沿主河道水面线

从图中可以看出，在5孔泄洪闸全开泄洪时，在消力池后海漫入口附近，均出现较明显的水面降落，之后沿泄洪闸中线两侧从海漫、铅丝笼一直延伸至下游河道，在下游河道桩号泄0+273.5—0+290.0附近形成壅水，壅水最高可达4.5m。壅水前，沿泄洪闸中线两侧河道内水深较浅，水流较急，且这种流态偏向中线右侧，其最大横向（与坝轴线平行）距离达到140m左右。水流流出铅丝笼进入下游河道，在铅丝笼最右侧出口水流进入主河道，形成较大水深的河道主流，与壅水后中线来流汇合流向下游。

3.3 不同流量工况下的流态分析

不同流量工况下，泄洪闸、消力池、海漫及铅丝笼各断面的Fr数如表1和表2所示。

表1 校核工况下Fr数

表2 设计工况下Fr数

根据表1和表2可知，设计流量和校核流量工况时，消力池内水流均为缓流，泄洪闸、海漫及铅丝笼内水流为急流。