莲麓水电站导流明渠水力学模型试验研究

□刘建平（秋芦溪水电管理处）

□毛永生（河南天地工程咨询有限公司）

□刘艳芳（华北水利水电学院水利职业学院）

莲麓水电站为无调节河床式水电站，主要建筑物为3级。施工导流建筑物按5级临时土石建筑物设计，按5年一遇的洪水标准进行设计，相应标准的设计洪水流量为1020.00m3/s。导流明渠进口高程2035.98m，出口高程2035.02m，明渠尾部出口处设有一座施工桥，桥底高程2043.0m，桥面高程2043.84m。渠底及渠左边坡、右边坡靠近渠底处大部分基础坐落在岩体上。导流明渠设计纵坡1/450，左渠堤利用永久开挖边坡，左边坡1∶1，右渠堤为纵向围堰，边坡1∶1.5。明渠底宽10.0m，断面型式为梯形断面，渠长约420.00m。

为保证施工期间的安全，需要通过物理模型试验验证导流明渠的泄流能力是否满足设计要求、明渠的最大泄流能力以及影响泄流能力的主要不利因素，并对原设计方案提出优化改进措施。

一、模型设计与制作

模型比尺1∶40，采用正态模型，按重力相似准则进行模型设计。各相关物理量的比尺如表1所示。

模型各水力参数比尺表

模型模拟了导流明渠及上、下游河道，全长20余米。建筑物模型全部按设计图纸用灰塑板精制。导流明渠段衬砌型式为现浇C20钢筋混凝土板，原型混凝土糙率取0.0135，按糙率比尺计算，模型糙率应为0.0073，选取的灰塑板糙率为0.0085左右，比模型糙率略大，试验结果对导流明渠运行安全有利。内外河道用水泥抹面，糙率为0.0120左右，相当于原型河道糙率0.0200左右，基本满足阻力相似要求。模型河道平面尺寸控制精度±3mm，建筑物尺寸控制精度±0.5mm，安装高程误差＜0.3mm。模型由循环式供水系统供水。循环式供水系统由蓄水库、水泵房、平水塔、供水管及同水槽等组成。蓄水库容积2000.00m3，4台离心水泵最大供水流量0.60m3/s，平水塔容积200.00m3，塔内溢流槽距试验室地坪高度10.00m。模型进水头部与供水管连接，心阀门控制来水。进水头部设有平水设施和量水堰。

为观测明渠沿程水深的变化情况，在明渠底板上布置了26个水位测点。模型中桩号采用明渠轴线作为地形桩号起点，其中下游为正向。模型中水位点桩号分别为：0+011.280m、0+044.879m、0+069.878m、0+104.416m、0+139.396m、0+191.998m、0+244.599m、0+298.973m、0+353.346m、0+373.317m。

二、试验结果分析

（一）导流明渠水流流态

试验中观测到，虽然上游来流较为平顺，但因明渠进口方向与天然河道主流方向存在一定夹角，上游河道水流在堰前经转折后进入导流明渠，在渠首处由缓流向急流过渡，由于水流的跌落和收缩，在进口右岸侧形成斜向冲击波，在导流明渠进口段，水流表面形成一系列起伏不平的波浪，波峰沿水流流向降低，在导流明渠内形成斜向波状水跃。因出口段“S”弯的存在以及施工桥的阻水效应，导流明渠末段水位有一定程度的壅高。在导流明渠出口，水流方向斜向右岸，在下游围堰后形成回流区，水流经右岸反射后与主流作用在施工桥桥孔处形成水面壅高。同时由于水流主流位于右岸侧，水流在下游河道左侧形成回流区。在设计流量Q=1020.00m3/s下，施工桥桥孔断面最大近底流速为9.72m/s，水流对右桥墩有较大的冲击。

（二）导流明渠沿程水位

试验中观测到进渠水流在导流明渠进口段有水面跌落，在之后水流产生波状水跃，水面上升，在波状水跃影响范围之外，水面重新降落，在导流明渠后段，由于S型弯段的影响水面有一定壅高。

当施工桥未架设桥体时，设计工况下(Q=1020.00m3/s，下游水位为2041.179m)，导流明渠进口段水面跌落位于渠0+069.878处，水位高程为2042.76m，渠内最高水位位于后部渠0+373.317处，水位高程为2043.76m。当施工桥墩上架设桥体后，在设计工况下，该处水面已经超过桥底高程，造成桥体有一定程度的阻水，使得水位壅高一直影响到渠0+139.396，但仍未超过明渠右岸混凝土护面顶高程。

（三）导流明渠过流能力

试验中在观测导流明渠进水口过流能力时，下游施工桥未架设桥体。在试验中观测到当流量Q=1020.00m3/s，下游水位为2041.179m时，导流明渠能够顺利下泄相应流量，沿程水未超过围堰顶高程。由于导流明渠出口处有一施工桥，为同时保证导流明渠过流的安全和施工桥过流的安全，必须考虑施工桥桥孔的过流能力。在导流明渠下泄1020.00m3/s时，在施工桥左、右桥墩处水位分别为2040.70m、2043.90m，右墩处水位已超过桥面高程(2043.84m)。在施工桥孔口断面离右桥墩14.40m处，雍高水位2044.70m，已超过施工桥桥面高程，影响施工桥通车。因此，必须减小导流明渠的下泄流量才能保证施工桥的安全。经过试验观测，当导流明渠的过流流量为Q=700.00m3/s时，施工桥孔口处最高壅水位接近桥底高程，但尚未影响到施工桥。因此，在保证导流明渠和施工桥同时安全运行的情况下，导流明渠的最大过流能力为700.00m3/s，无法满足设计要求。

（四）优化方案

为降低导流明渠出口处的水位壅高，保证施工桥的运行安全，保证导流明渠在设计流量下的安全运行，在施工桥左侧再开挖一条渠道进行分流，从而减小施工桥断面过流压力，降低施工桥处的水位壅高和对桥墩的冲击。

试验中观测到，新开挖渠道后，在设计流量下，导流明渠前段水流流态及水位无明显变化(渠0+104.416前)，后段的水位壅高现象较开挖前有明显减弱，特别是出口段水面降幅明显，最大降幅达到2.7m。

导流明渠水流在进入新开挖渠道时有水面骤降，同时在左桥墩前形成爬坡水流。在下游围堰前形成较大同流区，下游围堰堰后回流区最大流速3.06m/s。同时，施工桥断面的水位壅高也得到有效减弱。水流已经不会直接影响到桥底面，而且水位壅高位置明显向桥下游下移，在桥断面处水流由急流变为缓流，在施工桥断面左半段形成水跃，同时由于主流偏右岸，在桥左侧形成局部回流。施工桥断面处水力条件与原方案比较有了较大程度的改善。

三、结语

通过对导流明渠及其进出水的水力模型试验，对原设计方案中导流明渠的出水口成功地进行了优化。优化后的出水口方案解决了由于施工桥引起的水位壅高、水流直接冲击桥墩和桥面等水力学问题，能够同时满足设计条件下导流明渠和施工桥的安全运行，为类似工程提供了可供借鉴的设计优化经验。

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