库什塔依水电站溢洪洞陡槽台阶式消能试验研究

王永飞，李守强，杨 慧

（1.新疆伊犁库克苏河水电开发有限公司，新疆 伊犁 835500；2.中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810006；3.中电投新疆能源有限公司伊犁项目部，新疆 伊犁 835500）

库什塔依水电站工程正常蓄水位1 305.00 m，相应库容1.50亿m3；电站装机100 MW，多年平均发电量3.5亿kW·h。工程由拦河坝、溢洪道、导流兼泄洪洞、发电引水洞、厂房等组成。库水位及泄洪标准：校核洪水位 （P=0.05%）为1 306.87 m，溢洪道泄量为869.86 m3/s；校核洪水位 （P=1%）为1 305.98 m，溢洪道泄量760.36 m3/s；设计洪水位（P=1%）1 305.00 m，溢洪道泄量为645.69 m3/s。

1 试验目的及模型制作

通过对溢洪洞陡槽段单体水工模型试验，确定溢洪洞修改基本思路和布置原则，对溢洪洞的泄流能力、上游进口流态、台阶面水流特性及消能率进行测验、对消力池进行体形优化、评价下游出口河道防冲效果；对存在的问题，通过模型试验，提出安全可靠、经济合理的方案供设计参考，以达到改进和优化设计、节省投资的目的。

模型制作根据枢纽平面布置图进行。模型范围包括：上游库区地形范围纵向200 m（模型5 700 mm），横向225 m （模型6 428.5 mm）。下游河道地形纵向332 m （模型9 486.5 mm）， 宽度175 m （模型5 000 mm）。其中下游河道动床范围纵向长290 m （模型8 300 mm），高程 1 230 m以下均为动床，平均宽度约120 m （模型3 400 mm），河底铺砂高程为1 224 m。

2 台阶形式试验分析

为了更好地了解台阶面消能率的变化规律，为本工程找到相对合理的台阶高度的体形，本试验保持台阶面坡度为1∶1.65，对3个不同高度的台阶面消能率进行了试验研究，以推荐更优的台阶体形，对比试验情况如下。

2.1 台阶高度的选择

台阶高度的选择是根据以往已建成的工程实际，并结合试验具体情况，在工程可靠运行的基础上，考虑其经济合理、施工方便以及体形具有工程实用性等因素，进行了试验研究工作。试验在保持现有台阶坡比不变情况下 （即1∶1.65不变），实际采用的3个台阶高度分别为0.65、1.0 m和1.3 m。

2.2 测验组次

溢洪道台阶面的消能率对比按照校核工况和设计工况，同时再增加两个低水位组次的小流量进行比较，消能率对比试验各组次见表1。

表1 消能率对比试验结果

2.3 消能率测验

台阶面的消能形式是通过两种不同形式的水流形态来进行消能的。在小流量情况下，台阶面水流呈舌状跌落水流，薄层水流从上一个台阶跌落到下一个台阶，通过和台阶水平面的撞击及水流紊动而消除能量，如此重复地再向下一个台阶传下去，如此重复跌落，消除能量，该流态的台阶面消能率最高；随着流量的增大，从台阶顶部射出的流速逐渐增大，舌壮跌落水流向滑移水流转化，在台阶面滑移水流条件下，水流的能量主要通过水流在台阶面上的裂散掺气以及主流和底部漩涡之间的紊动交换实现。这里采用如下方法来进行消能率的计算，在图1中选取1-1断面和2-2断面来进行该工程台阶面消能率的计算，其中1-1断面为抛物线末端 （即台阶面起点），桩号Y0+249.596 m，渠底高程为1 270.743 m。2-2断面为台阶面下泄水流在消力池的潜入点 （即1.0 m高度台阶面的第34个台阶处），桩号Y0+305.696 m，台阶面高程1 236.743 m并且定义消能率计算公式

图1 消能计算断面

式中，E1为上游计算起始断面的总能量，E1=Z1+h1+为下游计算断面的总能量2g；Z1、Z2分别为上下游断面的底部相对高程，m；h1、h2分别为上下游断面的水深，m；v1、v2分别为上下游断面的平均流速，m/s。

溢洪道3个不同试验台阶高度、不同流量时，台阶面上的消能率计算对比结果显示：台阶高度不变，随着下泄流量的增加，台阶面的消能率在逐渐降低；不同台阶高度在下泄相同流量时，台阶越高，其消能率也大。本试验台阶高度的选择是经过详细分析后确定的，其测验资料表明，台阶高度为1.0m和1.3 m所测得的台阶面消能率基本接近。考虑其测验本身的误差认为，从消能率方面考虑，采用台阶高度为1.0 m和1.3 m均能到达满意的消能效果，优先采用的台阶高度为1.0 m。

3 结论

（1）体形布置。桩号从Y0+175.000 m到Y0+215.000 m为1∶100比降的渐扩段，渠宽从8 m扩大到16 m，下游与抛物线段连接，抛物线方程y=0.02x+0.084 7x2，水平向全长34.596 m，末端桩号Y0+249.596 m，并在该处设置1∶18的掺气挑坎。台阶面比降1∶1.65，单个台阶高度1.0 m，水平全长77.55 m，共47个台阶。

（2）水流流态。台阶面在各运行工况流态良好，通气孔通气畅通，空腔稳定，水舌下缘在校核和设计水位运行时，基本在第3个台阶位置与台阶面交汇，保证水流尽可能与台阶面接触，提高了台阶面的消能率，设计水位台阶面起点位置的台阶面底部掺气特别充分。

（3）压强分布。抛物线段底板压强的测验结果表明，其线形基本可满足水流要求，堰面压强分布合理，除桩号y0+239.742 m处的39号测压管测到最大负压-0.12×9.8 kPa，其他位置压强均为正压强，故不存在水流空化问题。台阶水平面上的所有测压管在各运行工况其压强均为正压强，但台阶面的竖向面在台阶下游有负压强出现，最大负压为-0.86×9.8 kPa，并且在每一个台阶竖向面处的，压强分布表现为越向上靠近台阶顶部压强越小。由于模型受体形尺寸的限制，不可能无限靠近台阶顶部布置测压管，加之台阶面水流本身的复杂性，为了防止万一在台阶竖向面顶部出现过大负压强而引起的台阶面发生空化，采用了在台阶进口处增加掺气设施，通过掺气减蚀来避免可能发生的空蚀破坏。

［1］ SL 155-92 水工 （常规）模型试验规程［S］.

［2］ 南京水利科学研究院，中国水利水电科学研究院.水工模型试验［R］.南京：南京水利科学研究院，1985

［3］ 周辉，吴时强，姜树海.台阶溢流坝滑移流水力特性初步研究［C］//泄水工程与高速水流，1998.

［4］ 汝树勋，潘瑞文，唐朝阳，等.曲线形阶梯式溢流坝的消能特性［C］//泄水工程与高速水流论文集，1994.

［5］ 水利水电泄水工程与高速水流信息网，东北勘测设计研究院水利科学研究院，泄水工程与高速水流［M］.长春：吉林科学技术出版社，2000.