溪洛渡水電站泄洪洞水力優(yōu)化模型研究

溪洛渡水電站泄洪洞水力優(yōu)化模型研究

排水孔是水庫中常見的排水孔。西洛渡水庫采用龍尾排水孔，用于排水。由于水頭高,水流在龍落尾后,流速可達(dá)到40～50m/s,屬于水利工程的超高速水流問題,體型稍有不慎,容易造成極大的破壞。國內(nèi)外許多學(xué)者致力于泄洪洞水力學(xué)問題的研究。郭軍等以龍?zhí)ь^和龍落尾布置方式為主,總結(jié)并分析了國內(nèi)外大型泄洪洞的運(yùn)行實(shí)踐,提出了泄洪洞布置的特點(diǎn)及研究進(jìn)展。文獻(xiàn)通過數(shù)值模擬或物理模型試驗(yàn)研究了泄洪洞反弧段防空化空蝕的體型。劉超等通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法,對(duì)側(cè)墻摻氣坎空腔長度的影響因素及底部摻氣坎對(duì)側(cè)空腔長度的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。本文通過1∶45的水工模型,分析溪洛渡水電站泄洪洞原設(shè)計(jì)體型存在的主要問題,提出泄洪洞優(yōu)化體型,并通過模型試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化體型進(jìn)行了檢驗(yàn)。1溪洛渡3號(hào)泄洪洞洪水計(jì)算溪洛渡水電站位于金沙江中段,是一座以發(fā)電為主,兼有攔沙、防洪和改善下游河道航運(yùn)條件等綜合利用的大型水電站。水電站攔河大壩為混凝土雙曲拱壩,最大壩高278m。樞紐最大下泄總流量達(dá)52300m3/s,有約60%的洪水通過壩身宣泄,40%的洪水通過左、右岸各2條的常規(guī)“龍落尾”泄洪洞宣泄,溪洛渡泄洪洞采用有壓彎洞后接無壓泄洪洞方案布置,出口最大單寬流量達(dá)278m3/(s·m),上、下游落差近190m,是目前國內(nèi)最大規(guī)模的泄洪隧洞。在正常水位泄洪時(shí)其反弧段流速超過40m/s,最大流速近50m/s,泄洪洞防空蝕設(shè)計(jì)難度較大。而且電站消能河段河谷狹窄,枯水期水面寬僅70～100m,4條常規(guī)泄洪洞出口消能區(qū)河道長度僅200多米,兩岸邊坡陡峻,洪水余能高度集中,消能防沖設(shè)計(jì)難度大,對(duì)挑流鼻坎的水力性能要求很高。為了保證泄洪建筑物的安全運(yùn)行,開展了溪洛渡3號(hào)泄洪洞水工模型試驗(yàn)研究。3號(hào)泄洪洞原設(shè)計(jì)體型見圖1和圖2。2模型的設(shè)計(jì)2.1模型有壓段長度水工模型采用正態(tài)整體模型,按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型比尺1∶45?？紤]到泄洪洞有壓段過流表面的糙率對(duì)泄洪洞的過流量影響較大,模型設(shè)計(jì)中除了保證模型的幾何相似外,也應(yīng)滿足過流表面的糙率相似。為了保證模型與原型的過流能力相似,模型有壓段的長度按下式進(jìn)行修正:Lm=Lp(npnm)2L?4/3rLm=Lp(npnm)2Lr-4/3式中Lm、Lp為模型和原型有壓段的長度;np和nm分別為原、模型過流面的糙率;Lr為模型比尺。根據(jù)幾何相似原理,模型有壓段的長度是14.16m,而按上式得出的模型有壓段長度為12.19m,因此,為了保證泄洪洞原、模型泄流能力相似,模型有壓段應(yīng)縮短1.97m?？s短的部位選擇在進(jìn)口漸變段的末端至彎道起點(diǎn)之間的直線段,其他部分按幾何相似原則制作。模型安裝時(shí),有壓段的坡度也做適當(dāng)調(diào)整,以保證進(jìn)口高程和工作閘門段的高程與原型相似。2.2散粒體鋪設(shè)方式泄洪洞整體模型采用有機(jī)玻璃制作,泄洪洞出口下游沖刷河道用散粒體鋪設(shè),散粒體的平均粒徑為2.7cm。兩岸山體用水泥砂漿制作,河道模擬的長度為500m。水工模型見圖3。3原設(shè)計(jì)體型對(duì)比分析在4種特征泄洪工況(校核洪水位607.94m、設(shè)計(jì)洪水位600.70m、580m、汛期限制水位560.00m)條件下,通過對(duì)原設(shè)計(jì)體型水流流態(tài)變化、下游沖刷坑形狀和沖刷特征值、泄洪洞底板中心線和左邊墻摻氣濃度分布、泄洪洞壓力特性和從龍落尾起點(diǎn)到出口挑坎典型斷面流速分布的試驗(yàn)成果分析,溪洛渡3號(hào)泄洪洞設(shè)計(jì)體型存在兩個(gè)主要問題:①反弧末端附近摻氣濃度較低,有可能影響泄洪洞的安全運(yùn)行;②出口挑流水舌入水點(diǎn)位置偏向河道對(duì)岸,庫水位超過575.0m時(shí),水舌沖擊河道對(duì)岸,影響下游河道的穩(wěn)定。4排水孔的體積優(yōu)化4.1洪洞的空蝕破壞高水頭泄洪洞反弧段發(fā)生空蝕破壞的實(shí)例較多,國內(nèi)發(fā)生空蝕破壞的泄洪洞有劉家峽右岸泄洪洞、二灘水電站1號(hào)泄洪洞等,其中二灘水電站1號(hào)泄洪洞發(fā)生的空蝕破壞尤其令人關(guān)注。通過對(duì)溪洛渡水電站3號(hào)泄洪洞和二灘水電站1號(hào)泄洪洞的對(duì)比分析,結(jié)合原設(shè)計(jì)體型的模型試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)龍落尾段的體型進(jìn)行適當(dāng)修改,在原第1、2道摻氣坎間增設(shè)一道摻氣坎,同時(shí),將各道摻氣坎的坎高適當(dāng)增加并在摻氣跌坎上設(shè)置挑坎,以提高各摻氣設(shè)施的摻氣效果,提高反弧末端水流的摻氣濃度,加強(qiáng)過流表面的摻氣減蝕保護(hù)。優(yōu)化后泄洪洞體型見圖4,4道摻氣跌坎上設(shè)置挑坎尺寸見表1。4.2出口挑坎優(yōu)化溪洛渡水電站泄洪洞的運(yùn)用水頭變幅大,達(dá)48m,校核洪水位和汛期限制水位工況下出口挑坎相差約90m,而在3號(hào)泄洪洞水舌入水區(qū)下游河床寬度只有80m左右,因此要使出口挑坎在各種泄洪工況均能滿足要求幾乎不可能。因此,在出口挑坎優(yōu)化過程中,主要從兩個(gè)角度考慮:①在常遇泄洪工況下,使水舌的入水點(diǎn)位于河道中心;②使水舌在空中盡可能散開,以減少挑流水舌對(duì)下游河床的沖刷。通過對(duì)挑流水舌挑距的敏感性分析,發(fā)現(xiàn)改變挑流鼻坎的出口挑角和調(diào)整挑坎的出口邊位置是控制水舌入水點(diǎn)的有效方法。利用Bezier曲線生成技術(shù)構(gòu)造出口挑坎,通過移動(dòng)控制點(diǎn)改變挑坎的曲線和構(gòu)造出口挑坎,優(yōu)化了出口挑坎體型。出口挑坎優(yōu)化體型見圖5,左右邊墻底板的曲線形狀見圖6。5試驗(yàn)成果分析在4種特征泄洪工況(校核洪水位607.94m、設(shè)計(jì)洪水位600.70m、580m、汛期限制水位560.00m)條件下,對(duì)優(yōu)化體型水流流態(tài)變化、下游沖刷坑形狀和沖刷特征值、泄洪洞底板中心線和左邊墻摻氣濃度分布、泄洪洞壓力特性和從龍落尾起點(diǎn)到出口挑坎典型斷面流速分布的試驗(yàn)成果分析,得出的主要結(jié)論如下:優(yōu)化體型在反弧段上游增設(shè)一道摻氣挑坎,即布置4道摻氣挑坎。4道摻氣坎方案在各泄洪工況下,水流平順,各道摻氣設(shè)施摻氣效果好,反弧末端附近的摻氣濃度有了明顯的提高。與設(shè)計(jì)方案相比,最小洞頂余幅與設(shè)計(jì)體型相同,為36%,龍落尾下游泄洪洞段的最小凈空高度是2.9m,二者均大于規(guī)范要求。推薦的出口挑坎出口邊采用折線布置,使主水舌的挑距縮短,減輕了挑流水舌對(duì)河道左岸的沖擊。庫水位560.00m時(shí),水舌擴(kuò)散效果稍差,部分水體沖擊河道右岸,隨著庫水位的提高,挑流水舌的空中擴(kuò)散效果逐漸增強(qiáng)。庫水位568.3