双龙水电站泄水陡坡优化设计分析

刘丽秋

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁沈阳110180）

1 工程概况

双龙水电站工程主要由土石坝、泄洪建筑物、引水闸、输水渠道、压力前池、消力池、压力管道和电站厂房构成。其中，压力前池主要由连接段、前室、进水室、冲沙闸、泄水排沙闸以及泄水陡坡和侧堰构成。泄水陡坡长全长964 m，断面为矩形，矩形底宽 12～20 m，纵坡分别为 1/500、1/3、1/1 000、1/2.755、1/1 000，底板高程 142.5～77.184 m。为防止水流冲刷，泄水陡坡的末端设置宽度分别为12 m、20 m，池长分别为 60 m、50 m两级消力池，泄水陡坡经消力池后投入尾水渠。

2 原设计方案分析

2.1 模型的设计与制作

这次研究不仅要完成泄水陡坡的整体模型试验，还要局部流态研究，考虑试验场地因素和SL155—95《水工（常规）模型试验规程》的规定，模型采用的几何比尺为50[2]。为满足水流紊动阻力相似性需求，模型采用有机玻璃板制作，高程误差小于2 mm，平面误差小于10 mm[3]。水位监测采用DJ800型多功能监测系统；断面流速分布采用DJ800型多功能监测系统和毕托管联合监测测量；底板压强采用采用DJ800型多功能监测系统的压力探头测量；水流流态采用高倍像素相机拍摄[4]。根据泄水陡坡的运行实际，选择设计最不利工况（以下简称工况1）和排冰排漂工况两种工况，对泄水陡坡的流速分布、压强分布以及水面线和水流流态进行试验分析。在数据采集方面，水位和流速测点采用等间距布置。

2.2 原设计方案存在的问题

在两种试验工况下对原设计方案进行模型试验，得到方案本身存在如下主要问题：在工况1的365 m3/s流量下，泄水陡坡下游一级消力池内水面波动比较剧烈，在部分区域存在水流溢出消力池边壁的情况。同样，受到一级消力池内水流波动的影响，下游泄水陡坡的缓坡段内水流波动同样比较大。在工况2，也就是排冰排漂工况下，流量为52.5 m3/s，在两段泄槽和消力池交汇区域存在浮冰堆积现象。针对一级消力池水流溢出和水面波动较大的问题，需要对原设计方案进行优化修改，增加辅助消能消波措施。

3 泄水陡坡优化设计方案与比选

通过对原方案的模型试验发现，泄水陡坡存在的主要问题是在最不利工况下，一级消力池水流溢出和水面波动较大问题。因此，需要对原始设计进行优化，并通过模型试验分析，以确定最优设计方案。

3.1 优化方案设计

在工况1下，由于大坝上游来水流量较大，泄槽坡度较陡、水利下泻速度很快是造成一级消力池水流溢出和水面波动的主要原因。针对上述原因，提出如下3种优化设计方案。

3.1.1 优化设计方案1

相关研究结论显示[5][6]，消力池尾坎的形态对水跃消能和池内流态具有显著影响。具体而言，通过对尾坎形状的改变，可以有效减小消力池尾坎部位的底部回流对水面的作用，从而大幅减小水面波动。基于上述认识，优化方案1对原设计方案中的一级消力池尾坎进行优化设计，将原设计中的垂直尾坎修改为1∶2的斜坡尾坎，其长、宽、高分别为12.3 m、12 m和5.5 m，优化设计后的尾坎如图1所示。

图1 尾坎优化设计示意图

3.1.2 优化设计方案2

该优化设计方案的思路是在一级消力池内设置悬栅，以改变池内水跃的内部水流结构，通过增大水流紊流强度，提高水流的能量损失，进而达到降低水面波动的效果[7][8]。结合消力池的基本结构和原设计方案中水面波动特点，在消力池内的水跃内部和尾部分别设置两组悬栅。悬栅的水平间距和垂直兼具均设计为3 m，长、宽、高分别为12 m、0.6 m和0.6 m，具体布置如图2所示。

图2 池内悬栅设置示意图

3.1.3 优化设计方案3

借鉴相关的研究成果，在一级消力池的顶部设置消波梁，以破碎消力池水跃旋流的表面波，从而有效改善消力池以及下游渠道中水流的水面波动强度。具体而言，应在距消力池顶部1.5 m的位置设置12根，间距1.5 m的一排消波梁，消波梁的长、宽、高分别为12 m、0.6 m和0.6 m，具体布置如图3所示。

3.2 优化方案的模型试验范围

图3 消波梁布置示意图

双龙水电站一级消力池弯道之后到二级消力池之间的渠道长度为425.8 m，坡度为0.001，渠道较长且坡度较缓。考虑到本次优化设计仅针对一级消力池部位，因此在模型试验时，将试验范围定为一级陡坡的入口带消力池弯道后60 m的位置，也就是桩号泄0+94.486到泄0+385.850。

3.3 优化试验结果及分析

3.3.1 优化设计方案1

优化设计方案1的典型断面水位流速试验数据如表1所示。由试验结果可知，通过对尾坎形态的重新设计，消力池内水跃后半段的波动性有明显降低，但是在泄0+226.50断面出仍然出现了水位超高现象，水流超出边壁0.35 m。同时，由于坡度改变，尾坎处的水流形态较为平顺，从而造成流速变大，在弯道处受离心力作用，致使左岸水位高于右岸水位。

表1 优化设计方案1水位流速试验数据

3.3.2 优化设计方案2

优化设计方案1的典型断面水位流速试验数据如表2所示。由试验结果可知，消力池水跃区的前段水位有所上升，在水流穿过悬栅时被分为上下两股水流然后在悬栅后交汇摩擦碰撞，消耗掉一部分能量，因此水跃的后半段水位下降比较明显。整体来看，水位高度没有超过消力池边壁高度。同样，由于悬栅的阻碍作用，使得出池流速下降明显，渠道内水流低于边壁。

表2 优化设计方案2水位流速试验数据

3.3.3 优化设计方案3

优化设计方案3的典型断面水位流速试验数据如表3所示。

表3 优化设计方案1水位流速试验数据

由试验结果可知，消力池内的最高水位为120.31 m，整体水位低于消力池边壁。消力池的前半部分形成比较稳定的水跃，流速比较均匀，由于在消力池后半部分设置了一排消波梁，对水流冲击起到了有效减弱作用，因此水跃波浪得到均匀分散，水流表面流速有所降低，表面波动性明显变小。在水跃后的过渡段水流形态平稳，没有发生明显的跌水。此外，由于出池流速较小，弯道及下游水面波动也较小。

3.4 优化结论

对3种拟定的优化方案进行模型试验，通过试验结果对比发现，在优化设计方案3的情况下，消力池内的最高水位明显降低到边壁高度以下，说明该方案能够有效消弱池内水面波动。因此，认为优化设计方案3为最优方案，推荐在工程设计中采用。

4 结语

文中通过模型试验的方法对双龙水电站泄水陡坡进行了优化设计，并对最不利工况下物理试验中发现的问题提出了3中优化改进措施，经过试验比对，最终推荐优化设计方案3为最优方案。当然，这次研究以物理模型试验结果为主要依据，并没有进行相应的数值模拟计算。因此，在后续研究中有必要利用数值模拟计算再次进行验证，以全面准确了解泄水陡坡的水力特征。