導(dǎo)語(yǔ)：水電站消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

［摘要］文中以遼寧省丹東鳳城三灣水電站為例，以水工模型試驗(yàn)的方法對(duì)該電站泄洪洞消力池方案設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)論顯示消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)方案水流流態(tài)良好，在流速和底板壓強(qiáng)方面完全滿足工程設(shè)計(jì)和相關(guān)施工規(guī)范的要求，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。

［關(guān)鍵詞］三灣水電站；消力池；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1工程背景

三灣電站位于遼寧省丹東鳳城市境內(nèi)的愛(ài)河下游東湯鎮(zhèn)三灣村境內(nèi)，是一座以發(fā)電為主，兼具旅游和水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能的綜合性水利工程。水電站為漿砌石拱壩，最大壩高66m，總庫(kù)容2430萬(wàn)m3，裝有3臺(tái)8MW水力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量24MW，工程預(yù)計(jì)于2019年建成投入使用，對(duì)緩解鳳城市城鄉(xiāng)電力短缺，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用。電站的導(dǎo)流泄洪洞位于大壩左岸的巖體內(nèi)，在工程修建期間主要承擔(dān)施工導(dǎo)流功能，在水電站建成投運(yùn)后還承擔(dān)泄洪、沖沙和放空任務(wù)，屬于一條多功能永久性隧洞設(shè)施，因此設(shè)計(jì)和修建標(biāo)準(zhǔn)較高。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，導(dǎo)流洞主要由進(jìn)口段、閘井段、洞身段、出口泄槽及陡坡擴(kuò)散段和出口消能段構(gòu)成，施工期最大導(dǎo)流流量為183.5m3/s，水庫(kù)運(yùn)行期間的設(shè)計(jì)洪水流量為306.5m3/s，校核洪水流量為345.5m3/s。

2模型設(shè)計(jì)和制作

2.1泄洪洞出口段設(shè)計(jì)方案。三灣水電站導(dǎo)流泄洪洞出口泄槽段截面為矩形，寬5.5m，高5.5m，擴(kuò)散段的寬度由5.0m逐步增加到12.5m，底板高程由178.9m逐漸降低到176.9m，通過(guò)拋物線與消力池連接；出口段消力池寬8.0m，長(zhǎng)55.5m，深4.3m，消力池底板高程為173.0m，設(shè)計(jì)為帶支撐桿的U型結(jié)構(gòu)，水流在出池后進(jìn)入退水段。2.2模型的設(shè)計(jì)與制作。研究不僅要完成導(dǎo)流泄洪洞的整體模型試驗(yàn)，還要局部流態(tài)研究，因此模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足SL155-95《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》[1]和SL158-95《水工建筑物水流壓力脈動(dòng)和流激震動(dòng)模型試驗(yàn)規(guī)程》[2]等相應(yīng)的水工設(shè)計(jì)規(guī)范要求?？紤]試驗(yàn)場(chǎng)地因素，模型采用的幾何比尺為50。為滿足水流紊動(dòng)阻力相似性需求，模型采用有機(jī)玻璃板制作，高程誤差小于2mm，平面誤差小于10mm[3]。水位監(jiān)測(cè)采用DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；斷面流速分布采用DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和畢托管聯(lián)合監(jiān)測(cè)測(cè)量；底板壓強(qiáng)采用采用DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力探頭測(cè)量；水流流態(tài)采用高倍像素相機(jī)拍攝[4]。2.3試驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)采集。根據(jù)導(dǎo)流泄洪洞消力池的運(yùn)行實(shí)際，需要對(duì)流速分布、壓強(qiáng)分布以及水面線和水流流態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)分析[5]。在數(shù)據(jù)采集方面，水位和和流速測(cè)點(diǎn)采用等間距布置，在消力池段設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)；消力池壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)在底板上均勻布置，共28個(gè)壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)。2.4試驗(yàn)工況。結(jié)合工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和相關(guān)研究的具體經(jīng)驗(yàn)，研究設(shè)計(jì)如表1所示，3個(gè)試驗(yàn)工況[6，7]。

3消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型試驗(yàn)分析

3.1原方案水流流態(tài)分析。在常遇洪水條件下，水流進(jìn)入陡槽段后，沿程水位逐漸降低，之后進(jìn)入消力池產(chǎn)生水躍，隨著流量的逐漸增加，消力池的水流流態(tài)也呈變差態(tài)勢(shì)，在水躍后移的同時(shí)也逐漸由淹沒(méi)水躍演變?yōu)檫h(yuǎn)驅(qū)水躍。這說(shuō)明消力池的尺寸不足，需要增加消力池的深度和寬度。另一方面，由于消力池深度不足，致使末端水流深度較大，在進(jìn)入護(hù)坦段后，由于河道寬度突然增加，導(dǎo)致水面發(fā)生比較嚴(yán)重的跌落，因而水流的流速變大且波動(dòng)十分劇烈，進(jìn)而造成下游河道的嚴(yán)重沖刷。因此，需要對(duì)消力池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善水流流態(tài)和水力特征。3.2消力池優(yōu)化方案設(shè)計(jì)針對(duì)原方案在模型試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出的問(wèn)題，將底板高程由原來(lái)的173.0m降低到271.0m，泄槽段與消力池的底板連接部分設(shè)計(jì)為半徑30m的曲線結(jié)構(gòu)，將消力池的寬度增加2.0m，由原來(lái)的8.0m增加到10.0m，消力池下游的護(hù)坦高程保持不變，將其長(zhǎng)度增加到40m。針對(duì)修改后的消力池設(shè)計(jì)方案，在3種工況下再次進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)量[8]。3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的水力特征分析。3.3.1水流流態(tài)分析。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，泄洪洞陡坡泄槽段的寬度從8.0m逐漸擴(kuò)散到10.0m，水流受到擴(kuò)散段的影響而向中部匯集，呈現(xiàn)出中間深度大、兩側(cè)深度小的流態(tài)。在水流進(jìn)入消力池后可以形成完整的淹沒(méi)水躍，隨著庫(kù)水位和流量的增加，水躍的躍首逐漸向后移動(dòng)，擺動(dòng)范圍也逐漸增加，具體試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。在水位和流量達(dá)到設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，水躍的躍首在消力池的0+619.23斷面和0+627.53斷面之間擺動(dòng)；在水位和流量達(dá)到校核洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，水躍的躍首在消力池的0+618.12斷面和0+632.08斷面之間擺動(dòng)。雖然庫(kù)水位和流量的增加會(huì)導(dǎo)致消力池水流流態(tài)變差，特別是水躍躍首的擺動(dòng)范圍有所變大，但是在3種工況下均為淹沒(méi)水躍，說(shuō)明消力池設(shè)計(jì)方案在優(yōu)化之后的深度和寬度值可以滿足消能的實(shí)際需求。3.3.2優(yōu)化方案水面線分析。在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量了消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在不同工況下的水深，結(jié)果如表3所示。顯然，消力池的邊墻高度應(yīng)該為實(shí)測(cè)水深加上安全超高，由表格中的數(shù)據(jù)可知，消力池水躍段在設(shè)計(jì)洪水條件下的實(shí)測(cè)最大水深為14.96m，而此段的邊墻高度設(shè)計(jì)值為15.4m，所以邊墻高度完全滿足泄流要求。在消力坎退水渠段，在設(shè)計(jì)洪水流量條件下的實(shí)測(cè)最大水深為4.57m，該段的邊墻高度為6.0m，在度汛期間該段邊墻的高度完全滿足要求。在出口消能段的其他分段，實(shí)測(cè)水深均顯著小于邊墻設(shè)計(jì)高度，說(shuō)明邊墻設(shè)計(jì)高度能夠滿足泄流要求。3.3.3水流流速對(duì)比。為了進(jìn)一步確定消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的技術(shù)可行性，對(duì)其在3種不同工況下的包括消力池段在內(nèi)的泄洪洞出口消能段11個(gè)斷面的水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析。泄洪洞出口消能段的斷面流速設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表4所示。由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，各斷面的實(shí)驗(yàn)流速和設(shè)計(jì)流速均存在一定的差距，但是總體上看均小于設(shè)計(jì)流速值，完全滿足施工設(shè)計(jì)的要求。3.3.4底板壓強(qiáng)對(duì)比。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)典型斷面壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量，獲得如表5所示的結(jié)果。由表格中的數(shù)據(jù)可知，在消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)方案條件下，泄洪洞出口消能段底板壓強(qiáng)分布均勻，變化幅度不大。各個(gè)測(cè)量斷面的泄槽底板壓強(qiáng)總體分布狀況良好，只有彎道段壓強(qiáng)分布不均勻，具有較大的變幅；底板壓強(qiáng)大多為正值，但是在0＋613斷面出現(xiàn)了最大值為-1.50kPa的負(fù)壓，但是負(fù)壓值并不大，不會(huì)對(duì)底板的穩(wěn)定造成威脅。

4結(jié)論

以遼寧省丹東鳳城三灣水電站為例，以水工模型試驗(yàn)的方法對(duì)該電站泄洪洞消力池方案設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可知：1）通過(guò)模型試驗(yàn)，觀察了消力池原始設(shè)計(jì)方案條件下的水流流態(tài)。結(jié)果顯示，隨著流量的逐漸增加，消力池的水流流態(tài)也呈變差態(tài)勢(shì)，主要表現(xiàn)為水躍后移的同時(shí)也逐漸由淹沒(méi)水躍演變?yōu)檫h(yuǎn)驅(qū)水躍；在進(jìn)入護(hù)坦段后，水面發(fā)生比較嚴(yán)重的跌落，水流的流速變大且波動(dòng)十分劇烈，會(huì)對(duì)造成下游河道的嚴(yán)重沖刷。2）針對(duì)消力池原始設(shè)計(jì)方案下的水流流態(tài)存在的問(wèn)題，提出了加寬和加深消力池的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以改善水流流態(tài)和水力特征。3）為了進(jìn)一步確定消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的技術(shù)可行性，對(duì)對(duì)其在3種不同工況下的水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析。結(jié)論顯示，泄洪洞出口消能段各斷面的實(shí)驗(yàn)流速總體上看均小于設(shè)計(jì)流速值，完全滿足施工設(shè)計(jì)的要求。泄洪洞出口消能段底板壓強(qiáng)分布均勻，變化幅度不大。各個(gè)測(cè)量斷面的泄槽底板壓強(qiáng)總體分布狀況良好，僅在在0＋1668斷面出現(xiàn)了最大值為-1.50kPa的負(fù)壓，但是負(fù)壓值并不大，不會(huì)對(duì)底板的穩(wěn)定造成威脅。綜合上述，消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)方案水流流態(tài)較好，在流速和底板壓強(qiáng)方面完全滿足工程設(shè)計(jì)和相關(guān)施工規(guī)范的要求，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。

作者:原有芬 單位:桓仁滿族自治縣水庫(kù)移民開(kāi)發(fā)局