山坪水电站导流期导流建筑物水力特性试验研究

宋莉萱 刘刚森 吴国英

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.河南大学，河南 开封 475001)

1 工程概况

黄河山坪水电站(阿什贡梯级)工程位于青海省贵德县境内的黄河干流上游河段。施工期采用分期导流方式。一期导流先围右岸河床式电站厂房、泄水闸及船闸，导流建筑物主要由左岸疏挖形成的导流明渠、上下游横向围堰及纵向围堰组成。明渠采用梯形断面，设计底宽115m，轴线长约900m，进、出口底板高程2179.3～2179m，边坡坡比为1∶3。一期导流明渠布置如图1所示。

图1 一期导流明渠布置

二期施工导流是利用右岸建成的5孔泄水闸导流。闸墩顶高程2202.0m，闸底板高程2182.0m。泄水闸剖面布置如图2所示。

图2 泄洪闸剖面布置

为保证导流明渠在施工期的安全导流，需要通过模型试验对一期导流明渠的泄流能力、流态、施工期通航、围堰保护及渠底防冲，二期泄水闸敞泄过流、下游冲刷等问题进行论证和分析，并对设计方案提出修改意见及建议。主要研究内容如下：

a.提供一期明渠泄流的水位-流量关系曲线及明渠纵向水面线，结合水力特性观测成果和施工期通航要求，对一期明渠的开挖高程及宽度提出建议。

b.提供二期右岸5孔泄水闸敞开泄流的水位-流量关系曲线。

c.观测流量分级如下：316m3/s、630m3/s、950m3/s、1300m3/s、2280m3/s。

d.观测各特征流量下一、二期导流时上、下游水力特性(包括水位、流速及流态，上游河道主流的方向和部位，河床进口、出口水面衔接与波动情况，沿上、下游围堰转角和建筑物下游的流速分布、漩涡、回流的范围、强度及其冲刷、淘刷情况)，复核右岸已建5孔泄水闸导流时段的下游消能工安全性，并提出建议的围堰、明渠平面布置和抗冲防护措施。

e.观测一期明渠通航时在不同流量下沿程的流态、水深、主流方向、流速(包括横向流速)、水面高程分布、水面比降及回流情况等，并提出改进施工期通航的措施，确定通航流量范围。

2 模型设计

山坪水电站水工模型采用1∶50的正态模型，满足重力相似准则，模型范围包括库区1.0km，坝址下游2.0km以及堤防以内的所有建筑物(电站、泄水闸、冲沙廊道、通航建筑物、导流明渠建筑物等)。上下游河道部分、导流建筑物等采用水泥砂浆粉制作。电站、泄水闸、冲沙廊道、部分通航建筑物等全部采用有机玻璃制作；下游2.0km范围内的动床部分采用天然砂，粒径D=0.6～1.5mm。模型进口流量用电磁流量计控制，库水位和压力用玻璃连通管量测，流速采用螺旋流速仪测读，采用了纸花、彩色细线和高锰酸钾溶液等方法观测水流流向。采用摄像技术进行流态、流场描述。一期导流设计标准为2年一遇洪水，流量为2280m3/s。一期明渠导流期间，下游河道地形按照现状河道河床地形(河道未疏浚)铺沙模拟，下游水位按照设计提供的坝轴线下2.0km处断面水位流量关系控制。二期导流期间，下游河道已疏浚，下游河道地形按照设计的疏浚开挖地形铺设，下游水位仍按照设计提供的坝轴线下2.0km处断面水位流量关系进行控制。

3 一期明渠导流试验

3.1 明渠导流水位流量关系

试验量测导流期2年一遇设计洪水(流量2280m3/s)时，上游围堰附近水位2185.18m，较设计值2185.3m略低，上游围堰设计高程2186.3m，满足设计要求。下游围堰末端附近水位2184.06m，略低于设计值2184.42m，下游围堰设计高程2185.4m，满足设计要求。根据导流明渠泄流能力试验资料分析，导流渠开挖宽度和深度满足一期导流期间过流要求。

3.2 导流明渠的流态、流速及水面线试验成果分析

试验分别观测了流量为316m3/s、630m3/s、950m3/s、1300m3/s、2280m3/s时导流明渠及上下游流态、流速与水面线分布等水力特性。

试验结果表明，小流量316～630m3/s时，上游来流分为左右两股，其中右股水流占70%，左股占30%，至开挖导流明渠入口断面，两股汇合。在上游横向围堰与纵向围堰圆弧连接段，由于过流断面收缩，右股水流集中，导致水流在导流明渠段断面流速分布不均，主流偏左。上游来流流量由950m3/s增大到2280m3/s，加之导流明渠前200m范围内过流断面宽度由380m逐渐减小到150m，使得该段水流流速逐渐加大，水面有一个明显降落，且流量越大，水面降落幅度越大(见图3)。试验还观测到上游横向围堰与纵向围堰圆弧连接段附近的水流波动剧烈，流速较大，甚至在流量2280m3/s时出现急流，产生水跃现象(见图4)，流速达到4.03m/s，对该处围堰的稳定产生较大威胁，建议采取必要防护措施，如格宾或大块石护底、铅丝石笼防护坡脚等。其他部位水流相对平顺，可参考模型实测流速，选择合适的临水面筑堰材料。

图3 导流明渠沿程水面线

图4 上游横向围堰与纵向围堰圆弧连接段明渠水流流态

一期明渠导流期间，对应流量316～2280m3/s时，导流明渠段水深3～6m，渠道内断面最大流速0.69～3.52m/s。

由于下游河段砂卵石浅滩较多，受原始地形影响，在小流量时，下游河道出现多股水流，河道主流散乱，无明显的主河槽，水面比降较陡。流量1300m3/s和2280m3/s时，下游水流全河漫滩，有多股水流，该河段水面比降逐渐变缓，一期导流各级流量时下游河道水面线见图5。

图5 下游河道沿程水面线

从下游各级流量下游河道流态总体情况看，一期导流期间，在小流量时，流路稍显散乱，但从水深看，基本满足下游通航水深需求。

4 二期导流试验

4.1 明渠导流水位流量关系

图6 泄洪闸进口左导墙附近水流流态(Q=2280m3/s)

表1 特征水位流量关系

4.2 二期泄洪闸导流流态与流速分布

试验分别观测了二期导流时各级流量下流态与流速分布等。试验结果表明，导流期来流小于1300m3/s时，泄洪闸下泄水流沿下游疏浚河槽行进，主流靠近左岸开挖边坡，河道内最大流速小于1.5m/s，水流不漫滩，但有少量水从坝下1.5km处回水至原左岸河槽内。流量2280m3/s时下游河道水位高于2183m，水流淹没第3个高程为2183m的生活休闲区，第1个和第2个生活休闲区附近水面高程为2183.8m，下游河道内最大流速达到1.81m/s。

各级流量时，泄洪闸闸前受两侧导墙绕流影响，闸前两侧淘刷，格宾塌陷(见图7)，最大淘刷深度7m。流量2280m3/s时，闸前20m断面最大流速为3.71m/s。各级流量时，消力池均能形成完整的淹没水跃，在小流量时，消力池下游护坦为波状水流，当流量大于1300m3/s时，护坦上出现二次水跃(见图8)，海漫下游产生冲刷，建议调整消力池尺寸，消除二次水跃，改善海漫下游。五级流量时，下游河道水流大都在开挖的槽内行进，河宽和糙率变化不大，水面比降变化也冲刷。测得下游河道断面最大流速分别为0.52m/s、1.09m/s、1.34m/s、1.53m/s、1.81m/s，下游河道水深2.6～5.1m，满足通航需求。

图7 Q=2280m3/s时原设计闸前左侧淘刷较深，格宾下蛰

图8 Q=2280m3/s时消力池及护坦水流流态

5 结 论

a.山坪水电站一期、二期导流工程泄流能力满足设计要求。对应流量316～2280m3/s时，从下游河道水深看，一期明渠导流期间和二期泄洪闸导流期间，基本满足下游通航水深需求。

b.一期明渠导流期间，上下游围堰高程设计合理，但是在上游横向围堰与纵向围堰圆弧连接段附近流速较大，建议设计部门采取必要防护措施。其他部位水流相对平顺，可参考模型实测流速，选择合适的临水面筑堰材料。