水電站導流泄洪洞設計方案研究

導語：水電站導流泄洪洞設計方案研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

［摘要］導流泄洪洞在水利工程中應用十分廣泛，其體型的優化設計就顯得尤為重要。文章以遼寧省丹東愛河梯級開發中的梨樹園子水電站為例，利用水工模型試驗的方法對該電站的導流泄洪洞進行設計優化。結果顯示，優化設計方案滿足設計要求。

［關鍵詞］導流泄洪洞；模型試驗；方案優化；梨樹園子水電站

1工程背景

梨樹園子水電站屬于愛河梯級開發第五級水電站，壩址位于遼寧丹東鳳城市石城鎮梨樹園子村西的愛河上游干流上，是一座以發電為主的小型徑流式水電站。該電站的裝機總容量為22400kW，設計庫容1800萬m3，工程的設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為1000年一遇。梨樹園子水電站項目所在地區屬于長白山系，從地層巖性來看，基底埋藏較深，沉積蓋層主要為第三系地層，由海相碳酸鹽和淺海、濱海碎屑巖構成。水電站主要由混凝土重力壩、溢流壩、導流泄洪洞、引水系統和電站廠房構成。其中，導流泄洪洞設計于大壩右岸的巖體中，在大壩建設期間承擔導流施工任務，在水庫運行期承擔泄洪和放空任務。導流泄洪洞由引水渠段、事故閘井段、有壓洞段、出口泄槽及陡坡擴散段以及出口消能段構成。在施工期的最大導流流量為183m3/s，在水電站運行期間的設計洪水流量為360.13m3/s，校核洪水流量為367.78m3/s。其中，出口泄槽段寬5.0m、高5.5m，縱坡坡度為0.02，通過拋物線結構與消力池連接，寬度也漸變為12.0m，底板高程由229.490m漸變為210.911m；出口消能段的消力池為帶支撐桿的U型結構，長55.0m、寬12.0m、深5.2m，邊墻高度設計為11.2m。

2試驗模型設計

2.1模擬范圍。根據研究需要和工程現狀，此次模型試驗的模擬范圍壩軸線以上180.0m，包括導流泄洪洞的進口上游，下游取到壩軸線以下700m的河道部位，模型的總長度為880m[1]。結合運行期間的最高庫水位以及最高尾水位，上下游的模型邊界高程分別設定為291.0m與273.0m。2.2模型設計。此次研究不僅要完成導流泄洪洞的整體模型試驗，還要進行局部流態研究，考慮試驗場地因素和SL155—95《水工（常規)模型試驗規程》的規定，模型采用的幾何比尺為50[2]。根據設計提供的糙率比尺，其與有機玻璃的糙率基本一致，故模型采用有機玻璃板制作，高程誤差小于2mm，平面誤差小于10mm[3]。水位監測采用DJ800型多功能監測系統；斷面流速分布采用DJ800型多功能監測系統和畢托管聯合監測測量；底板壓強采用DJ800型多功能監測系統的壓力探頭測量；水流流態采用高倍像素相機拍攝[4]。2.3試驗工況。由于水電站運行期導流洞的泄洪流量遠大于導流流量，因此，研究中僅對水電站運行期進行模型試驗，根據模型試驗的基本要求和相關研究成果[5，6]，研究中選取校核洪水、設計洪水和20年一遇洪水3種工況，其具體參數如表1所示。

3原始設計方案試驗結果分析

3.1泄流能力分析。利用模型試驗對水電站度汛期的庫水位和導流泄洪洞的泄流流量進行量測。結果顯示，導流泄洪洞全開時泄流能力的實驗值大于設計值，不同庫水位條件下的偏差率在1.87%～5.11%之間。因此，導流泄洪洞的泄流能力完全可以滿足設計要求[7]。3.2水流流態分析。通過模型試驗，在工況1條件下，在導流洞的隧洞段水流表現為平穩流動，以波浪式前進；隨著庫水位的逐步升高，水流逐步接觸洞頂，從而表現為壓力流，且進口處存在間歇式漩渦，但不貫通，在水位進一步升高時，漩渦逐步消失。在消力池段，隨著庫水位的逐步升高，水流逐漸翻出消力池的邊墻，并且在消力池與陡坡的連接部位出現遠驅水躍，說明消力池的深度較小，邊墻高度較低。3.3水力參數分析。利用模型試驗，對不同工況下的最大水面線進行統計，結果顯示：明渠段的最大實測水深為3.78m，小于該段的邊墻高度5.50m；擴散段的最大實測水深為2.89m，小于該段邊墻的高度（4.50m）；消力池內的最大實測水深為11.54m，大于該段邊墻（11.2m）的設計高度。因此，消力池的深度和長度不能滿足要求，需要進一步優化；消力池坎頂退水渠段的實測最大水深為6.12m，大于該段6.0m的邊墻設計高度，水流翻出墻外。對導流洞沿程壓強的最大值和最小值進行量測統計，結果顯示，各工況下的導流洞底板壓強均為正值且較大，分布也比較合理，不易產生空化水流，可以滿足設計要求。對導流洞沿程流速的最大值進行量測統計，結果顯示，各工況下的導流洞各段的流速均未超過相應的規范要求，流速分布也比較合理。

4優化設計方案與實驗研究

4.1優化設計方案。針對導流泄洪洞原設計方案在模型試驗中暴露出的問題，結合相關工程經驗[8]，擬對原設計方案進行修改：將消力池的底板降低2.3m，同時將邊墻高度增加2.8m，長度增加5.2m；將陡坡上的拋物線變緩，其方程設計為y=0.02x＋0.005497x2，將消力池坎頂退水渠段邊墻加高至6.5m。4.2優化設計方案的水流流態分析。優化設計方案的導流泄洪洞工作閘室段的水流流態與原設計方案基本相同，當水流進入下游明渠段時受到閘室段的擴散影響，水面產生跌落，并在明渠段以折沖水流的形態向前流動；在拋物線段，由于教原設計方案坡度變緩，水流在兩邊的高度基本一致，同時流態平穩，可以比較均勻地進入消力池。在工況1條件下，水流在進入消力池后呈現淹沒水躍，隨著庫水位的逐漸升高，淹沒水躍的躍首逐漸后移。在工況1條件下，消力池的水躍躍首在樁號0+364.50~0+366.47之間波動；在工況2條件下，導流泄洪洞消力池的水躍躍首在樁號0+361.19~0+364.50之間波動；在工況3條件下，導流泄洪洞消力池的水躍躍首在樁號0+361.18~0+357.43之間波動。由此可見，消力池的設計深度和長度均可以滿足導流泄洪洞的實際工作需求。在水流流出消力池后，以水面跌落的方式進入聯合退水渠，水流在進行擴散的同時沖擊左邊墻，由于聯合退水渠與消力池下游退水渠的方向一致，因此水流折沖現象較弱，之后在聯合退水渠口再產生水面跌落后進入下游河道，由于下游河道較為寬闊，因此水流狀態十分平穩。4.3優化設計方案水力參數分析。4.3.1沿程水面線分析。在對優化方案進行模型試驗過程中，對不同工況下的導流泄洪洞洞身出口后的沿程水面線高度最大值進行量測，結果如表2所示。由計算結果可知，在經過對原設計方案的優化之后，導流泄洪洞出口以后沿程各部分的最大水深均低于該部位邊墻高度，可以滿足不同工況下的泄流要求。4.3.2壁面壓強分析。對不同工況下導流泄洪洞拋物線以下各段的底板壓強進行量測統計，結果如表3所示。由表3的數據可知，導流泄洪洞的拋物線段在3種工況下均不容易產生空化現象，說明該段底部曲線設計比較合理；消力池段以及退水渠段的底板壓強均為正值，并且壓強數值的變化比較平緩，且分布合理。4.3.3沿程流速分布分析。對不同工況下導流泄洪洞拋物線及以下各段的沿程流速進行量測統計，結果如表4所示。由表4的數據可知，導流泄洪洞的水流流速沿程變化較大，且分布比較合理。同時，在3種工況下，導流泄洪洞洞身段出口后流速值未超過30m/s，因此認為在各種不同工況下不會對建筑物本身造成空蝕破壞。

5結語

水利水電工程的導流泄洪洞對保證大壩安全建設以及工程建成后的安全運行具有重要作用。遼寧省丹東愛河梯級開發中的梨樹園子水電站，利用水工模型試驗的方法對該電站的導流泄洪洞展開分析和優化設計。模型試驗顯示，原設計方案存在消力池深度不足、長度過小以及邊墻高度過低等問題。優化設計方案在增加消力池深度、長度和邊墻高度的同時，還減小了拋物線曲率，一方面可以保證在消力池內產生淹沒水躍；另一方面可以改善水流流態，提高底板壓強，避免空蝕破壞的產生。因此，優化設計方案完全滿足設計要求，推薦在工程設計中采用。

作者:劉利軍 單位:遼寧潤中供水有限責任公司