四川省官帽舟水电站泄洪建筑物水工模型试验研究

戴涓 黄连芳 刘明

摘要：为验证四川省官帽舟水电站溢洪道和泄洪洞布置方案的合理性，通过水工模型试验，研究了该水电站的进水条件、泄洪能力、挑流消能效果及冲坑范围等。同时，根据试验结果优化了墩尾及闸室、挑流鼻坎结构型式及下游右岸边坡开挖支护方案。结果表明：官帽舟水电站溢洪道和泄洪洞进出口流态稳定，泄流能力满足设计要求;优化后的方案更加安全合理，有效减少了开挖工程量并降低了项目成本。

关键词：溢洪道;泄洪洞;水工模型试验;泄流能力;官帽舟水电站

中图法分类号：TV135.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.018

文章编号：1006 - 0081（2021）12 - 0101 - 06

0 引 言

泄洪建筑物是枢纽的重要组成部分，是保障枢纽工程安全的关键性建筑物。四川省官帽舟水电站地处高山峡谷，河面狭窄，合理选择泄洪建筑物型式及组合是枢纽布置中的关键内容。由于官帽舟水电站坝址河床狭窄而洪水流量大，若设置溢洪道单独泄洪，下游消能压力较大，集中冲刷对边坡稳定不利。为了工程的安全运行，选定溢洪道和泄洪放空洞共同泄洪的方案为推荐泄水建筑物布置方案，溢洪道和泄洪放空洞均布置在右岸。经方案设计，官帽舟水电站溢洪道轴线与泄洪洞轴线基本平行，进水口均布置于右坝肩上游侧，仅相距46 m，出口共用出水渠。考虑到溢洪道和泄洪洞为枢纽仅有泄洪建筑物，运行过程中存在流量大、运行工况复杂、启用频繁、出流挑射水舌相互影响等因素，本文开展了溢洪道和泄洪洞整体水工模型试验和局部动床模型试验，以验证枢纽溢洪道和泄洪洞布置方案的进水条件、泄洪能力、挑流消能效果及冲坑范围等。

1 工程概况

官帽舟水电站位于四川省乐山市马边县境内，是规划的马边河干流7级开发方案的龙头水库电站。工程任务以发电为主，兼顾下游减水河段生态环境用水，并结合汛期水库蓄水提高下游防洪能力和改善农业灌溉条件。电站正常蓄水位674 m，总库容9 733万m3，调节库容5 730万m3，采用混合式开发，装机容量12万kW，多年平均发电量4.761亿kW·h，可增加下游梯级电站枯期水电量1 655万kW·h，电站建成后向四川省电网供电。

溢洪道布置在右岸，由进水渠段、闸室控制段、泄槽段及挑流消能工组成，全长510.973 m。采用2孔弧形闸门，其闸孔尺寸为14 m×12 m。溢流堰为WES实用堰，堰顶高程为662 m，闸墩顶厚度为3 m，顺水流流向长度为33 m。泄槽段采用矩形泄槽，控制段后采用左右对称收缩，收缩角取4°，收缩后槽宽为28 m，顺水流流向平面长度为238.67 m，泄槽坡度为单一坡度1∶4.2。采用挑流鼻坎消能，坎顶高程为596 m，顺水流流向平面长度为24.4 m。

泄洪洞结合导流洞布置，其轴线与溢洪道轴线平行，距离溢洪道轴线右侧32 m。检修闸门井与工作闸门井并列布置在溢洪道进水渠上游的泄洪洞轴线上。泄洪洞包括喇叭进水口、有压圆形洞、闸门井段、龙抬头段、结合导流洞段和出口消能段。有压段洞径为7.5 m，顺水流向长度为197.234 m。闸门井底板高程为620 m，井顶高程为679 m。闸门井后无压段采用7.5 m×11.5 m城门洞形，其中龙抬头段长度为122.12 m，结合导流洞长度为259.04 m。出口底板高程为584 m，采用挑流鼻坎消能。官帽舟水电站平面布置见图1。

2 试验设置

模型试验主要研究溢洪道、泄洪洞在各种工况下的泄流能力、进出口流态、调节溢洪道、泄洪洞闸门开度及开启方式、下游冲坑形态等，并针对不合理的结构进行优化设计。

2.1 模型试验工况

根据试验内容设定了3种工况，如表1所示。

2.2 水工模型制作

水工模型试验采用正态水工整体模型，按弗汝德重力相似准则设计[1-4]，几何比尺选定为1∶50（长度比尺λL=高度比尺λh=50），流量比尺[λQ=λ2.5L=17 678]，流速比尺[λv=λ0.5L=7.07]，糙率比尺[λn=λ16L=1.92]。溢洪道采用有机玻璃制作，有机玻璃表面糙率约为0.008，换算到原型后糙率为0.015。下游河床按挑流水舌可能覆盖范围進行动床模拟，动床铺设的散粒体粒径采用伊兹巴斯公式计算[5-6]。

[v=（5～7）D]

式中：v为抗冲流速，m/s;D为散粒体粒径，m。

3 试验结果分析

3.1 泄流能力

3.1.1 溢洪道、泄洪洞单独敞泄

溢洪道、泄洪洞分别单独敞泄的泄流能力试验结果与计算结果对比如图2～3所示，可以看出溢洪道和泄洪洞单独泄洪的试验泄流能力均略大于各自的计算泄流能力，说明满足设计要求。

3.1.2 溢洪道和泄洪洞联合泄流

溢洪道和泄洪洞联合泄流时，试验水位与设计水位对比结果见表2。

下泄流量Q=4 170 m3/s（P=0.05%）时，设计水位与试验水位的差值达到1.05 m，溢洪道、泄洪洞联合运行时宣泄校核洪水流量尚有一定余地;100 a一遇洪水（P=1.00%）下泄流量Q=2 750 m3/s时，试验测得库水位值为672.41 m，比设计计算值低0.28 m;30 a一遇洪水（P=3.33%）下泄流量Q=2 236.5 m3/s时，溢洪道控泄，闸门开度约为2.5 m。各种工况下泄能力均能满足设计要求。

3.2 进口段流态与墩尾及闸室优化

（1）溢洪道进水渠导墙型式设计合理，进水渠水流过渡流畅平顺，导流效果良好。进水渠周边坝面水流底层流速一般均小于1.0 m/s，不会对坝面造成冲刷，开挖平台左侧导墙头部附近流速达到3.6 m/s，建议对此处采取适当防护。

（2）原设计方案溢洪道堰面及控制段闸室的水流形态均比较平顺，但墩后产生了强烈的菱形冲击波。通过优化将墩尾改为尖尾型式，墩后流态得到有效改善，可降低墩后菱形冲击波的强度。

（3）在库水位大于死水位时，泄洪洞进口流态稳定，没有出现漩涡，泄洪洞进口布置型式满足泄洪运行要求。

3.3 出口流态与挑流鼻坎型式优化

3.3.1 出口流态

敞泄时射流挑距及下游水位见表3，当流量为2 750 m3/s时，溢洪道、泄洪洞出口流态见图4。

从表3及图4可以看出，随着下泄流量增大，溢洪道、泄洪洞射流挑距以及射流横向扩散程度都呈上升趋势，溢洪道、泄洪洞出口流态稳定。

3.3.2 挑流鼻坎优化

试验测得敞泄时挑流鼻坎起挑流量约200 m3/s，缩挑时约150 m3/s，溢洪道挑流鼻坎设计基本能够满足水库运行要求，但存在泄洪洞下泄水流冲刷右岸开挖坡脚现象，需对挑流鼻坎的体型尺寸进行改进。通过多方案比较试验后确定了调整方案：挑坎出口断面12.0 m，挑角为35°，反弧半径约为44 m，出口型式改为差动式并且采用3 m宽40°挑角、反弧半径约为39 m的差动墩。同时，对下游右岸开挖边坡线做了相应改进，在桩号0+480.2处继续沿设计直线向前延伸至桩号0+547.2处为止;将泄洪洞右边墙出口处作为下游开挖坡脚线的起点，与原设计开挖线桩号0+417.2处直线连接，作为新的开挖坡脚线。优化后下游水流流态更顺畅，开挖工程量有效减小，项目工程成本也有所降低。

3.4 闸门调度

3.4.1 溢洪道闸门调度

设置上游水位保持674.00 m不变，溢洪道闸门开度与流量关系曲线见图5。

如图5所示，当溢洪道闸门开度为1.0～2.0 m小开度状态时，闸门前水面比较平稳，无明显不利流态出现，属于稳定孔流;当溢洪道闸门开度为3.0～8.0 m时，闸门和闸墩之间开始出现小的立轴漩涡，夹杂气泡的漩滚水流;当溢洪道闸门开度从9.0 m增加到12.0 m的过程中，闸门底缘与水面脱离，下泄水流形成稳定的堰流。

设置闸门开度保持不变，上游水位在汛限水位至正常蓄水位之间变动时，观测闸孔流量，试验共测得溢洪道闸门8个不同开度时的水位与流量关系曲线，如图6所示。由图6可以看出，同一开度下，闸孔流量随着上游水位的增加而增大;同一水位下，闸孔流量随着闸门开度的增大而增加，试验结果规律性较好，曲线圆滑。

设置正常蓄水位工况下，溢洪道不对称全开1号（或2号）孔时的流态见图7，溢洪道同时对称开1号和2号孔时的流态见图8。

由图7～8可以看出，溢洪道不对称开时，下泄水流的水流紊动强烈，水面波动明显;对称开时，出口断面水流分布比较均匀，射流挑距从左向右变化不大，水流叠加水域内水流紊动情况及水面波动情况均有所改善。

3.4.2 泄洪洞闸门调度

在汛限水位665.00 m的工况下，当泄洪洞闸门开度为0～2.0 m时，泄洪洞平缓段发生水跃，随着开度的增大，水跃逐渐向下游推进，但不能形成挑流;当开度达到3.0 m时，泄洪洞内水跃被推出隧洞，形成挑流。因此，建议汛限水位下运行时，闸门开度要大于3.0 m，并尽快缩短开启闸门时间，以减少隧洞出现不利流态的时间。

3.5 流态分析

溢洪道各部位水深大致沿程递减，菱形波的角度随着下泄流量的增加而增大，冲向右侧的角度略大于向左侧;流速最大值出现在挑流鼻坎反弧段;溢洪道、泄洪洞各部位水压力高程均高于其测点高程，没有出现负压。

3.6 空化空蚀

当槽底和槽壁平整度得到严格控制时，溢洪道、泄洪洞泄槽水流空化数和初生空化数的比值较大，发生空化的可能性不大，空蚀破坏的可能性较小。反之，当槽底和槽壁平整度得不到严格控制时，发生空化的可能性较大。因此，建议采用高标号混凝土，尤其在陡槽末端、反弧段及挑流鼻坎等部位应采用高强度耐磨抗蚀混凝土。

3.7 下游冲坑

下游局部冲坑的试验数据见表4，30 a一遇、100 a一遇及2 000 a一遇洪水下游冲坑形态见图9～11。

结合表4及图9～11数据可以看出，在下泄流量=2 236.5 m3/s工况下，溢洪道和泄洪洞出口前出现明显的各自冲坑，最大冲深约为12 m;在Q=2 750.0 m3/s工况下，溢洪道和泄洪洞的冲坑基本合并，冲刷深度和范围比30 a一遇洪水工况的冲坑大一些，下游河道冲坑最大冲深约为14 m;在Q=4 170.0 m3/s工况下，冲坑形态不同于前两种工况，由于下游防冲水位（597.26 m）抬高，水垫深度增大，下泄流量大时，水舌入水角减小，射流入水后向河道下游推力增强，造成河床大范围冲刷，但冲刷深度增加不大，溢洪道前冲坑最大冲深约为16 m，各种工况的下游冲刷坑基本稳定。

3.8 下游影响分析

在试验工况下，受下泄水流影响，生态电站尾水区出现回流，最大流速均在1.5 m/s以内，水深约为8.4～11.7 m，水面波动在0.4～1.2 m之间。

在Q=2 750.0 m3/s设计流量下，左岸溢0+338.3 m及右岸溢0+420 m处流速达到4.32 m/s，由于此处没有采取防护措施，可能会存在一定的冲刷，建议向上游延长防掏墻或修建防护工程;狮子大桥前左岸流速大于右岸流速，左岸表层流速为4.97 m/s，右岸表层流速为1.38 m/s，对大桥安全威胁不大。

4 结 语

针对官帽舟水电站溢洪道与泄洪洞进口距离较近、出口共用出水渠、挑射水舌相互影响等情况，通过水工模型试验验证了官帽舟水电站溢洪道和泄洪洞的泄流能力，对溢洪道防冲设计、下游防护及后期运行管理提出了建议，优化了墩尾及闸室、挑流鼻坎结构型式及下游右岸边坡开挖支护方案。结果表明：优化后的方案合理，下游水流流态顺畅，开挖工程量有效减小，项目工程成本有所降低。

參考文献：

[1] 刘达，王均星，张莹莹. 高水头窄河道多洞联合泄洪模型试验研究[J]. 长江科学院院报，2014，31（4）：35-38.

[2] 谭哲武，王均星. 泄洪洞窄缝燕尾组合挑坎试验研究[J]. 长江科学院院报，2015，32（4）：40-44.

[3] 贾立欣，庄妍，张千里，等. 第一溢洪道改建工程水工模型试验分析[J]. 北京水务，2020，（增1）：19-22.

[4] 左东启，模型试验的理论和方法[M]. 北京：水利电力出版社，1984.

[5] 吴持恭. 水力学[M]. 北京：高等教育出版社，1982.

[6] 代尚逸，刁明军，袁晓龙. 低水头缓坡溢洪道挑坎体型优化试验研究[J]. 西南民族大学学报，2013，39（2）：233-235.

（编辑：江 文）

Hydraulic model test study on flood releasing structure of Guanmaozhou

Hydropower Station in Sichuan Province

DAI Juan1，HUANG Lianfang2，LIU Ming3

（1. Changjiang Water Resources and Hydropower Development Group （Hubei） Co.， Ltd.， Wuhan 430010，China;   2.Yangtze River Lake Protection and Construction Operation Safety Center， Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China;  3.Zhujiang Water Conservancy Research Institute， Guangzhou 510611， China）

Abstract： In order to verify the  layout scheme rationality of spillway and flood discharging tunnel of Guanmaozhou hydropower station in Sichuan Province， the inlet hydraulic conditions， flood discharge capacity， flip energy dissipation effect and scoured pit range of the hydropower station were studied through hydraulic model test. Also， according to the test results， the structural types of pier tail， gate chamber and flip bucket and the excavation and support scheme of the downstream right bank slope were optimized. The results showed that the flow pattern at the inlet and outlet of the spillway and in flood discharging tunnel of Guanmaozhou Hydropower Station were stable， and the discharge capacity met the design requirements. The optimized scheme is more safe and reasonable， which can effectively reduce the excavation quantities and construction cost.

Key words： spillway; flood discharging tunnel;hydraulic model test;  discharge capacity; Guanmaozhou Hydropower Station