溪古水电站无压竖井旋流洞试验研究

卫 勇,刘 菁,焦 娟

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概况

溪古水电站位于四川省甘孜藏族自治州九龙县境内，是九龙河“一库五级”梯级开发方案中自上而下的第1梯级，为“龙头水库”电站，工程开发任务为水力发电，并兼顾下游减水河段环保用水要求。

溪古水电站由首部枢纽、引水系统及电站厂房3部分组成。电站厂房位于距大坝下游约19 km处的新山沟口上游左岸。

首部枢纽工程位于九龙县城下游约10 km的溪古峡谷内，主要由混凝土面板堆石坝、左岸泄洪建筑物(排沙洞+溢洪洞)和左岸引水发电进口组成(见图1)。从上游至下游依次排列有：导流洞进口、发电引水口、排沙(放空)洞进口、溢洪洞进口，其中后3个进口位置相对集中。设置高程分别为2 766.00、2 795.00、2 790.00和2 850.00 m；坝址以上控制流域面积1 300 km2，多年平均流量39.4 m3/s，总库容9 986.0万m3，装机容量249 MW，年平均发电量10.551亿kWh。溪古水电站工程属Ⅲ等中型工程，拦河坝为2级建筑物，泄水建筑物为3级，工程区地震基本烈度Ⅶ度。

拦河坝洪水设计标准：设计洪水P=1%；校核洪水标准P=0.05%。消能防冲建筑物洪水标准：设计洪水P=3.33%；溢洪洞设计及校核洪水时的流量分别为169.00 m3/s和200.00 m3/s。

溢洪洞由无压进口堰闸段、上平段、涡室、涡井、下平段等组成(见图2)，溢洪洞下平段与导流洞完全结合。无压进水口堰顶高程为2 850.00 m，进口堰闸段长28.0 m，轴线方位与溢洪洞上平段相同为NE74.7502°，堰形为WES曲线形实用堰，堰高11.5 m，上游坡度3∶1，堰面曲线方程为y=0.0823x1.836，下接i=1∶1.5的斜坡段，末端通过半径R=10.0 m圆心角为33.69°的反弧与隧洞上平段底板相连。堰上设孔口尺寸5 m×7.6 m(宽×高)的平面检修门和5 m×8.5 m(宽×高)弧形工作门各1道，由设在边墩顶部的2×750 kN液压启闭机操作。两边墩厚2.5 m，坝顶高程为2 860.00 m，堰闸段下游有S215省道改线公路通过。堰闸段下游公路后紧接溢洪洞无压上平段，其进口横断面为5 m×6.5 m( 宽×高、直墙高4.5 m)，渐变为无压城门洞形3.1 m×10.8 m(宽×高、直墙高9.25 m)，坡降为I=0.125，上平段后接涡室。

图1 枢纽总体布置图

涡井底部的下游侧与下平段连接。为了增加消能效果，改善洞内流态，在涡井底部设一水垫塘，水垫塘深10 m，在明流溢洪洞下平段进口处顶部设1∶8压坡，压坡段长度为26.0 m，出口高度为3.33 m。在压坡段后接5.5 m×6.7 m(高×宽，其中直墙高5.2 m)的城门洞形，该段坡降为0.012 8。

溢洪洞出口后平面上采用扩散段、立面为泄槽与消力池连接，消力池底板高程2 745.00 m，消力池尺寸为60 m×20 m×16m(长×宽×高)。溢洪洞在校核水位2 857.80 m时下泄洪水Q=200 m3/s。

2 模型设计

模型按重力相似准则设计[1], 根据原型水流特性、 几何尺寸并结合试验场地及仪器设备等条件,确定模型几何比尺为：Lr=40, 则相应的其它水力要素比尺为：

为了便于观测排沙洞、溢洪洞及消力池的水流流态, 并尽量满足水流的阻力相似要求, 排沙洞、溢洪洞及消力池全部用有机玻璃制作，库区及下游河道定床用水泥砂浆抹面。

3 原方案存在的问题

(1) 溢洪洞上平段与涡室连接处，库水位为2 853.00～2 854.00 m时流态不够稳定。

(2) 溢洪洞竖井出口孔口偏大，竖井内水面偏低。

(3) 消力池流态较差，水位波动较大，设计及校核工况时，消力池水面高于消力池的边墙顶高程。

4 体型修改与优化

根据原方案存在的问题及国内外试验研究的经验[2-8]，我们主要从以下几个方面进行了修改。

4.1 溢洪洞上平段及涡室起旋器

为解决溢洪洞上平段与涡室连接处的水面波动并减小涡室的涌浪高程，试验中首先对不同高度、形状的起旋器进行了研究，发现起旋器的长度不能太长，其下缘不能较上平段末端的底板高程低太多，否则容易造成涡室中间的水流空腔不能与底部连通，并抬高涡室的水面高程；另外，当起旋器的平面尺寸不合适时，溢洪洞上平段与涡室连接处，在库水位为2 853.00～2 854.00 m时流态不够稳定。于是，试验中对上平段的底坡进行了4个坡比的研究，分别为1∶8、1∶9、1∶10及1∶12。结果发现底坡较缓时，沿涡室四周的水面较平稳，但上平段末端的部分水流容易形成跌流，流态较差；而坡比为1∶9时，涡室水面较平稳、水流旋转良好。推荐的溢洪洞上平段及涡室起旋器尺寸见图3。观察发现：库水位高于2 852.00 m(即流量大于24 m3/s时，竖井内可形成平稳的旋转流。)

图3 溢洪洞上平段及涡室起旋器图 单位：m

4.2 溢洪洞竖井及下平段孔口

为提高竖井的淹没深度，从而减小竖井底部的开挖深度，试验中首先进行了下平段的试验研究，孔口尺寸分别为4.5 m×3.8 m、4.5 m×3.2 m、4.5 m×2.8 m、4.5 m×2.0 m。结果发现：下平段孔口尺寸为4.5 m×2.0 m时，既能够保证竖井内有足够的淹没深度，同时下平段孔口下游的流态亦较好。

4.3 竖井底部开挖深度

试验进行了竖井底部开挖深度分别为10、8和5 m的研究，结果表明：竖井开挖深度对竖井底部的压力分布有较大影响，但对竖井的淹没深度影响较小。最后选择竖井底部的开挖深度为5 m较合适，推荐的溢洪洞竖井深度及下平段孔口尺寸见图4。

图4 溢洪洞下平段体型图 单位：m

4.4 消能率

竖井旋流的消能率主要取决于：① 竖井直径的大小，它决定了竖井内单位面积上的能量；② 竖井出口的体型，它决定了竖井的水垫深度及下平段明渠的流速。

选取溢洪洞0+189.81 m断面计算，该断面的底板高程为2 756.66 m,断面宽度为5.5 m,设计及校核水位时的流量分别为169 m3/s和200 m3/s，于是根据模型实测水深及流速可计算出设计及校核水位下，该断面以上的总消能率，如表1。

表1 溢洪洞0+189.81 m断面以上消能率的计算表

由表1可见：设计及校核水位时溢洪洞0+189.81 m断面以上的消能率分别为87.8%及86.0%，说明竖井旋流洞的体型是合适的。

5 结 语

本试验对溢洪洞的上平段坡比、起旋器的尺寸、竖井底部的深度、下平段孔口尺寸等进行了优化，解决了泄水建筑物的流态及消能问题，其主要结论有：

(1) 旋流洞上平段的底坡1∶8、1∶9、1∶10及1∶12的研究表明，底坡较缓时，沿涡室四周的水面较平稳，但上平段末端的部分水流容易形成跌流，流态较差；而坡比为1∶9时，涡室水面较平稳、水流旋转良好。

(2) 溢洪洞仅涡室起旋器底部有较小的负压，如设计及校核洪水时，最小压力分别为-0.6及-1.4 m水柱，可通过在起旋器中加设通气孔掺气解决。

(3) 由于溢洪洞上平段模型流速仅为2.5 m/s左右，远小于6 m/s，所以原模型掺气量相差较大，为保证竖井涡室通气顺畅，应保留涡室通风洞。

(4) 竖井开挖深度对竖井底部的压力分布有较大影响，但对竖井的淹没深度影响较小；为减小水流对竖井底部的冲击压力，竖井底部应有一定的开挖深度。

(5) 从实测溢洪洞的水面线及流速分析，设计及校核水位时溢洪洞0+189.81 m断面以上的消能率分别为87.8%及86.0%，说明竖井旋流洞的体型是合适的。

参考文献:

[1] 水利水电科学研究院，南京水利科学研究院.SL155—2012,水工模型试验规范[M].北京：水利电力出版社，2012.

[2] 卫勇,王晓萌,张晓莉,杜淑英,刘少斌,徐春燕.公伯峡竖井旋流溢洪洞的试验研究[G]//泄水工程与高速水流论文集.2004年版.长春：吉林科学技术出版社，2004：85-92.

[3] 卫勇,匙召君,常晓琴.竖井旋流溢洪洞的水力设计[J].水力发电学报,2007,(3)：88-92.

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[5] 董兴林,高季章,鲁慎吾,钟永江.导流洞改为旋涡式竖井溢洪道综合研究[J].水力发电,1995,(3)：32-37.

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[8] 夏毓常,张黎明,水工水力学原型观测与模型试验[M].北京：中国电力出版社,1999.

[9] DL/T5166—2002,溢洪道设计规范[S].北京：中国电力出版社出版,2003.