双沟水电站过冰期导流洞试验研究

韩 爽 ，杨 英 ，胡晓霖

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林长春130061；2.水利部综合事业局，北京100053）

1 工程概况

双沟水电站位于吉林省抚松县境内第二松花江上游，是松江河梯级开发工程的电站之一，上游是小山水电站、下游是石龙水电站。该电站主体由混凝土面板堆石坝、引水式电站、溢洪道以及导流期间临时工程导流洞、上、下游围堰等组成。

导流洞总长598.57 m，进口上唇为椭圆曲线，进口底高程为490.00 m，顶高程为506.00 m；出口底高程为487.00 m，顶高程为499.00 m。导流洞洞身断面为宽12.00 m、高12.00 m的城门洞型，洞底坡度为0.511%，并在导流洞进、出口分别设有进口桥和出口桥一座。

在双沟大坝上游设有一座总长为8.47 m的过江大桥，过江桥为4个桥墩、5孔。桥面高程为515.00 m。

2 试验研究

试验研究在比尺为50的正态模型上进行。

2.1 冰的模拟

双沟坝区河道流冰级配见表1。

表1 双沟坝区河道流冰级配表

试验采用石蜡模拟冰块，观测其下潜、卡堵后形成冰塞时，对建筑物泄流能力的影响，并由冰塞系数K分析堵塞程度。

式中：q，q0为某一水位下，导流洞畅流时、发生冰塞时过流量（m3/s）。

2.2 洪痕验证

泄放Q=193 m3/s流量进行模型主槽验证试验，各洪痕点实测水位与水文站成果值拟合较好，见表2。

表2 Q=193 m3/s洪痕验证表

2.3 糙率验证

导流洞糙率是决定泄流能力及洞内流态的重要因素，试验研究必须保证模型与原形的糙率相似。设计导流洞底板糙率为0.013、洞壁糙率为0.025，试验以导流洞的综合糙率来衡量。

导流洞的综合糙率n：

式中：n1，n2为导流洞底板与导流洞边壁的糙率；x1，x2为导流洞底板与导流洞边壁的湿周。

导流洞综合糙率计算，由相邻两个断面间的沿程水头损失hf等于两断面的测压管平均水头差，即：

式中：H1，H2为入、出流断面测压管平均水头，m。

依据沿程水头损失公式，即谢才公式与曼宁公式计算糙率n。

式中：R为过水断面水力半径，m；V为过水断面平均流速，m/s；L为沿程两过水断面的距离，m；hf为沿程测压管测定的水头损失，m。

试验通过在导流洞底及侧壁安装测压管来测量相邻断面的水头损失，计算此段糙率。验证导流洞综合糙率值，见表3。

表3 双沟电站导流洞原型、模型糙率值

2.4 研究成果

2.4.1 冰块尺寸为第Ⅰ类型

1）施放11级洪水仅在流量为268 m3/s时，大桥桥墩前近15 m范围内，冰盖不为并置型，有罗列与叠加的冰块呈紧凑的、密集的堆积现象。

2）若不采取破冰措施，大部分冰块将堆积在过江桥桥墩前，不能顺利下行（仅Q=373 m3/s有个别冰块通过桥孔）。并置的冰块使过江桥前水位壅高0.24～1.73 m。其中桥前25 m水位最大涌高为1.93 m（泄量268 m3/s）。过江桥前的最大冰塞系数K为0.39。

3）可自行通过江桥的个别冰块，受导流洞进口桥墩的阻挡，几乎全部堆在此桥前并沿河道平铺，造成水位壅高0～1.48 m，但不存在冰块堵塞现象。

4）若采取行冰措施使冰块通过导流洞进口桥，那么无论大、小流量均有封堵导流洞进口的情况发生，特别是流量越小，冰块堵塞导流洞进口的概率越大。当采取一定措施使冰块可以沿着导流洞进口平顺下行的时候，在导流洞出口桥前冰块同样受桥墩的制约，在桥前形成冰块的堵塞，流量越小，冰块卡堵左侧1～2孔的机会越大，最严重的情形为268 m3/s流量以下，冰块完全插堵整个导流洞出口至出口桥的区段，壅高的水位沿着导流洞上行。出导流洞口的水流夹裹着冰块以极大的动能下泄，导致下行过程中撞击导流洞出口桥桥墩的现象十分严重。导流洞出口至导流洞出口桥区间最大流速可达13.33 m/s。

2.4.2 冰块为第Ⅱ类型

1）过江桥无论是1孔、2孔还是5孔泄流，冰块尺寸为第Ⅱ类型时，在过江桥前均不形成堵塞现象，冰块随水流顺畅下行。区别为1孔、2孔、5孔泄流时，过江桥桥前的水位壅高值不同，四级流量下壅高范围在0.11～1.20 m，过江桥桥前与桥后最大水位跌差为1.31 m。

2）导流洞进口桥桥前在这四级流量下均不存在完全卡堵的现象，仅是导流洞进口桥桥前的流冰密度大于60%，并平铺在导流洞进口桥桥前依次顺行至导流洞进口。只有在泄量为96 m3/s时，导流洞进口的一孔偶有堵塞情形发生，但是随着泄量减小，进口水位的不断抬高被卡堵的冰块松动，堵塞将被冲开。因而该冰块级配下没有在导流洞进口桥及导流洞进口被冰块淤堵至死完全抑制泄流的情形。

3）导流洞出口无论在那一级流量下都能顺利行冰，至导流洞出口桥桥前只有在流量小于163 m3/s时，出口桥桥前冰块的数量才越发增多，当宣泄流量为96 m3/s时，冰块有堵塞出口桥至多两孔的现象，但是在水位壅高的情况下卡堵的冰块又将被完全冲开。因此导流洞出口与出口桥依然不存在被下行的冰块堵塞致不泄流的情形。由于下行的水流夹裹着冰块沿导流洞出口宣泄的动能很大，当流量为373 m3/s时，导流洞出口至导流洞出口桥区间的最大流速可达12.59 m/s，并以该流速夹裹着下泄的冰块撞击导流洞出口桥的桥墩，应引起重视。

3 结论

1）冰块为第Ⅰ类型时，行冰试验的结论。若不采取排冰措施：流量268 m3/s，过江桥前水位最大壅高1.93 m；流量373 m3/s，上游围堰最高水位497.47 m，超过围堰设计高程497.42 m。若采取排冰措施，无论导流洞进、出口，都面临被冰块封堵的现象，因而工程应采取破冰措施，完全规避此种情形发生。

2）冰块为第Ⅱ类型时，行冰试验的结论，与第Ⅰ类型冰块不同，第Ⅱ类型冰块可通过各座桥梁和导流洞而排向下游。当流量小于163 m3/s时，导流洞进口才偶有卡堵现象。建议双沟电站施工期间，上游小山水电站的发电流量大于163 m3/s为妥。