水电站泄洪洞体型优化模型试验研究

胡良才，陈 林，李会平，郭大平

（1.中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021；2.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

0 引言

泄洪洞是水电站常用的泄水建筑物型式，多部分利用导流洞，以加快施工进度，节省工程投资，并为枢纽布置提供较大便利。泄洪洞进口与导流洞出口高差较大，泄流水头往往达数十米乃至百余米，使得洞内水流流速较高，易发生空化空蚀现象，导致泄洪洞破坏乃至威胁大坝安全。

国内外学者对泄洪洞进行了诸多研究。庞昌俊等[1]分析了“龙抬头”泄洪洞的布置特点，介绍了“龙抬头”式泄洪洞进口段、“龙抬头”段、斜坡段、反弧段、直线段各部位体形设计公式；邓军等[2]采用计算流体力学软件Fluent，对某电站岸边泄洪洞进行了数值模拟研究，得到了泄流能力、压强沿程分布、水流空化数、通气设施进气量、空腔形态及挑距等，验证了数值模拟方法研究龙落尾式泄洪洞水流的可行性；夏庆福等[3]采用数值模拟与局部模型试验相结合的方法，对小湾泄洪洞新方案进行了研究和优化；陈华勇等[4]对旋流式竖井泄洪洞的水面线、壁面压力、水流流速等水力要素进行数值模拟，并通过试验对计算结果进行比较分析，验证了数值模拟研究旋流式竖井泄洪洞水力要素的可行性；田静等[5]对溪洛渡水电站泄洪洞进行了水工模型试验研究，分析出泄洪洞原设计体型存在的主要问题，对泄洪洞体型进行了优化，并进行了模型试验检验；井书光[6]结合某泄洪洞改建工程，对某“龙抬头”泄洪洞水力特性进行了数值模拟及模型试验研究；李松平[7]针对河口村水库泄洪洞，采用模型试验研究了泄洪洞泄流能力、水流流态、压力分布、空化空蚀、进出口体型等，并提出泄洪洞体型优化方案；张文远[8]通过水工模型试验，对吉音竖井旋流泄洪洞的水流流态、压力分布、流量系数等水力特性进行了研究；郑文新[9]针对大北沟水库泄洪排沙洞，就其改建设计方案合理性进行了试验研究，提出了泄洪洞体型修改方案。诸多研究成果对于提高泄洪洞设计水平，保障工程安全做作出了突出贡献。但工程实际情况千差万别，影响其安全的因素众多，不能照搬某一个或几个工程经验，直接确定本工程设计参数。因此，文中通过整体水工模型试验，研究验证石头峡水电站泄洪洞设计合理性，对泄洪洞“龙抬头”段、出口挑坎进行优化，以为工程的安全设计提供科学依据。

1 工程概况

石头峡水电站位于青海省门源县大通河上，是“引大济湟”跨流域调水工程的龙头水库，为Ⅱ等大（2）型工程。枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、溢洪道、导流泄洪洞、引水系统和发电系统等组成。泄洪洞布置在大坝左岸山体，为导流与泄洪合一型式，泄洪洞进口段为有压短洞，采用弧形闸门控制泄流，后半部分利用原导流洞，泄洪洞与原导流洞采用“龙抬头”型式连接。设计水位3 087.02 m时，泄洪洞闸门全开下泄流量为539.96 m3/s；校核水位3 088.54 m时，泄洪洞闸门全开下泄流量为546.37 m3/s[10]。

2 模型设计制作

2.1 模型设计

模型按重力相似准则[11]设计，为正态模型，考虑供水能力、场地大小及市售试验材料糙率，选定模型几何比尺为1∶54.54。其他物理量相似比尺见表1。

表1 各主要物理量相似比尺

2.2 模型制作与量测

泄洪洞整体模型采用有机玻璃制作，以便观察水流流态；库区模拟范围为泄洪洞进水口前160 m，进水口左右各90 m，下游河道模拟范围为自泄洪洞出口以下260 m，库区地貌、下游河道和坝体表面皆以水泥砂浆抹面。制作模型地形时采用断面法，断面疏密程度取决于地形的复杂程度[10]。

试验中，时均压力用测压管测量；流速采用毕托管和旋浆流速仪测量；水位用水位测针测量，流量采用四角量水堰测量，采用文献［12］中公式计算流量：

式中：Q——流量，m3/min；k——系数k=107.1+H——量水堰堰顶水头，m；B——量水堰堰宽，m；b——量水堰缺口宽度，m；D——量水堰底部至缺口处高度，m。

3 原设计体型试验成果分析

原设计体型泄洪洞进口段曲线及闸门槽等部位均未出现负压，不易发生空蚀现象。存在的问题是：设计及校核水位下、闸门全开时，“龙抬头”段呈明满流交替状态，射流冲击洞顶，不利于泄洪洞安全运行。分析原因认为：闸室出口段与泄洪洞斜坡段竖曲线采用圆弧，不符合自由射流水流运动轨迹，使得水流流态较差，需优化泄洪洞体型。

4 泄洪洞体型优化

4.1 “龙抬头”段体型优化

4.1.1 泄洪洞修改方案Ⅰ试验成果

为消除原设计体型泄洪洞“龙抬头”段不良水流流态，提出泄洪洞修改方案Ⅰ：闸室出口段与泄洪洞斜坡段竖曲线改为渥奇曲线，曲线方程为x2=150y；“龙抬头”段断面由圆形改成城门洞型。

1）水流流态。库水位较低（低于3 070 m）时，由闸室孔口射出的水流轨迹方程较“瘦”，渥奇段底面对水流有一定顶托作用，渥奇段水流流态较平稳，水舌基本贴底。随着库水位增加，闸室出口水流流速加大，明显呈射流状态，“龙抬头”段水舌有脱壁的趋势，沿程水深变化较大。试验发现，“龙抬头”段中部偏下位置，水深最小，在反弧段又增加。同时，水面比较粗糙，无稳定且平顺的水面。库水位3 080 m以上，尤其达到或超过设计水位时，射流冲击洞顶。

2）泄流能力。设计水位时，泄流量比设计计算值大21%，泄洪洞泄流能力满足要求。

3）压力分布。在泄洪洞进口段布置21个测压点，“龙抬头”段布置25个测压点，以量测泄洪洞壁面压强，评估发生空蚀的可能性。

试验发现，泄洪洞进口段各部位压力较高，不存在负压，发生空蚀的可能性较小。在检修闸门后顶板（压坡段）处，特别是通气孔位置，设计水位下压力为15.0×9.8 kPa。因此，在此部位设置通气孔不能达到给闸后明流段通气的目的。

修改方案Ⅰ渥奇段方程斜率较大，库水位从3 058.37 m至校核水位3 088.54 m区间，渥奇段都测得了负压，且库水位越高，负压值越大。泄洪洞最大负压出现在“龙抬头”段起始端距渥奇段起始点约10 m处，设计水位时为-3.82×9.8 kPa，校核水位时为-4.31×9.8 kPa。分析原因认为：渥奇曲线方程（x2=150y）的斜率偏大，致使射流水舌有脱壁的趋势。按照我国相关规范要求，泄水建筑物壁面负压不得超过（-3～-6）×9.8 kPa。因此，需进一步优化渥奇段体型，以减小负压值和负压范围，避免发生空蚀。

4.1.2泄洪洞修改方案Ⅱ试验成果

为消除修改方案Ⅰ存在的渥奇段负压较大、流态较差等问题，提出修改方案Ⅱ：将“龙抬头”段渥奇曲线方程由x2=150y修改为x2=300y，增大渥奇系数，放缓渥奇段斜率，增加壁面对水流顶托作用，以增大壁面压力；在闸室设置突扩突跌设施。

1）水流流态。由于“龙抬头”段壁面斜率放缓，壁面对水流顶托作用显著，水流脱壁现象得到遏制，设计及校核水位下，“龙抬头”段水流平顺，未发生水流冲击洞顶现象。

2）压力分布。在闸室突扩突跌段与“龙抬头”段共布置38根测压管。试验发现，修改方案Ⅱ渥奇段壁面压力得到提高，设计及校核水位下均未测得负压，且水流流态良好，说明优化体型设计合理，减蚀作用明显。设计水位下“龙抬头”段壁面压力见图1。闸室突扩突跌段亦未测得负压，故此处掺气效果有待评估。

图1 设计水位下修改方案Ⅱ“龙抬头”段压力分布

4.2 泄洪洞出口挑坎优化

4.2.1 原设计挑坎试验成果

原设计挑坎为等宽挑坎，试验发现，设计水位下水舌挑距为67.0 m，校核水位下挑距为69.0 m。存在的问题是：水舌方向(即泄洪洞轴线方向)与河道轴线的夹角太大，约为70°。水舌落入河道后直接冲向对岸，可能严重冲刷河岸。因此，需对挑坎体型进行优化，调整水舌的出射角度，使得水舌尽量归槽。

4.2.2 修改后挑坎试验成果

针对原设计挑坎挑射水舌与河道夹角较大，易冲刷河岸的问题，采用扩散挑坎，以利于水舌归槽。经优化后，设计水位时扩散挑坎水舌挑距为79.1 m，校核水位下挑距为80.7 m。水舌经挑坎后呈冠状，水冠宽约15 m。水舌出射角度得到调整，水流基本归槽。

5 结语

采用水工模型试验方法对石头峡水电站泄洪洞进行了研究，指出设计体型存在的问题，对泄洪洞渥奇段、出口挑坎进行了优化。

1）设计体型泄洪洞，泄流水头较高时，洞内呈明满流交替状态，射流水舌冲击洞顶，不利于泄洪洞安全。

2）修改方案Ⅰ泄洪洞，泄流水头较低时，洞内水流流态较平稳，水舌基本贴底；泄流水头较大时，“龙抬头”段水舌有脱壁的趋势。设计及校核水位下，洞内最大负压值分别为-3.82×9.8 kPa、-4.31×9.8 kPa，不满足相关规范要求。

3）修改方案Ⅱ泄洪洞，设计及校核水位下，“龙抬头”段水流平顺，未发生水流冲击洞顶现象，渥奇段未测得负压，渥奇段体型优化方案合理。

4）原设计挑坎为等宽挑坎，挑流水舌落入河道后冲向对岸，易淘刷岸坡；采用扩散挑坎后，水舌出射角度得到调整，水流基本归槽。

［参 考 文 献］

［1］庞昌俊，苑亚珍.大型“龙抬头”明流泄洪洞的体形设计［J］.水力发电，1992（8）：23-28.

［2］邓军，许唯临，雷军.高水头岸边泄洪洞水力特性的数值模拟［J］.水利学报，2005，36（10）：1209-1212，1218.

［3］夏庆福，孙双科，王晓松.小湾水电站泄洪洞水力学问题试验和数值模拟研究［J］.水利水电技术，2005（10）：12-16.

［4］陈华勇，邓军，胡静.旋流式竖井泄洪洞水力要素的数值模拟与试验研究［J］.水力发电，2008，34（3（10）：79-82.

［5］田静，罗全胜.溪洛渡水电站泄洪洞水工模型试验研究［J］.人民长江，2009，40（7）：70-72.

［6］井书光，高学平，韩云鹏.龙抬头泄洪洞水力特性研究［J］.水利水电技术，2013，44（6）：47-50.

［7］李松平，赵玉良，赵雪萍.河口村水库泄洪洞水工模型试验研究［J］.人民黄河，2015，37（01）：119-120.

［8］张文远，张东，杨帆.吉音水利枢纽竖井旋流泄洪洞水力特性试验研究［J］.水利水电技术，2015，46（11）：130-133.

［9］郑文新.大北沟水库泄洪排沙洞改建方案水工试验［J］.东北水利水电,2008（06）.

［10］天津大学.石头峡水电站泄水系统水工模型试验研究报告［R］.天津：天津大学水利水电工程系，2009.

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

［12］华东水利学院.模型试验量测技术［M］.北京：水利电力出版社，1984.