西彭水电站溢洪道弯曲段改造设计试验

张 林

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 400010)

1 水电站概况

西彭水电站位于重庆酉阳，水库坝址位于青竹溪上游临河岩处，距离上游酉阳县城19.6km，距离下游马渚大桥8.2km。本工程主要建筑物有拦河构筑物、泄水溢洪道、消能建筑物，设计流量为440m3/s。其中溢洪道总长612.22m(从桩号溢0+000.00至溢0+612.22)，沿程总高差176.50m。弯曲段总长73.3m，纵坡为1∶0.03，弯曲半径为120m，圆心角为35°，水电站溢洪道平面布置如图1所示。

图1 西彭水电站溢洪道平面

2 物理模型制作

采用1∶40的物理模型试验分析现状以及优化方案下的试验效果。根据《水工设计的理论和方法》换算关系，可推求得本模型的物理几何比尺为1∶40，流速比尺为1∶6.42，流量比尺为1∶15229.5，糙率比尺为1∶1.75。同时，为了更好的观察模型试验效果，采用透明的有机玻璃制作模型。

3 现状方案存在的问题

现状方案下溢洪道弯曲段水位分布情况如图2所示，由图2可以看出，在设计工况下，现状方案模型弯曲段水流流态复杂，不仅受离心力作用，导致外侧水深加大，内侧水深减小，造成断面内的流量分布不均，而且由于边墙转折，迫使水流改变方向，产生折冲水流，严重威胁溢洪道的平稳运行。水库溢洪道的流态优劣直接影响到溢洪道的运行安全。因此应考虑采用适合的方案进行调整，减小溢洪道两侧的水位差，改善水流流态。

图2 现状方案下溢洪道弯曲段水位分布情况

4 反超高方案计算原理及计算结果

急流冲击波在进入弯道后，由于离心力作用产生较大位移，导致溢洪道弯曲段两侧产生明显的水头差。考虑加高溢洪道底板外侧高程，并降低溢洪道底板内侧高程。通过水体重力落差，由重力产生的横向分力与离心力相互抵消。其中，计算原理如图3(a)所示，急流冲击波影响角度范围计算式如下：

(1)

式中，b—弯道宽度；r0—对应渠道中心线的曲率半径；β1—水流进入弯道后的初始波角。

溢洪道弯道段底板加高计算原理如图3(b)所示，凸岸(溢洪道外侧)上升的水体体积和凹岸(溢洪道内侧)下降的水体体积分别可用下式表达。

(2)

(3)

根据平面几何关系，可得到凸岸(溢洪道外侧)上升的底板高程和凹岸(溢洪道内侧)下降的底板高程表达式。

(4)

(5)

图3 溢洪道弯曲段反超高计算原理示意图

经计算可知溢洪道弯曲段各断面超高计算结果，见表1。

表1 溢洪道弯曲段反超高底板高程结算结果单位：m

5 试验效果分析

设计工况下，修改方案试验效果如图4所示(原方案试验效果如图2所示)，原方案与修改方案溢洪道弯曲段水位分布对比见表2，且表2中水位为相对650m高程的相对高程，分析可知：

(1)原方案设计工况下，弯曲段急流冲击波受离心力作用，导致外侧水深加大，内侧水深减小，造成断面内的流量分布不均，而且由于边墙转折，迫使水流改变方向，产生折冲水流。在原方案下，溢洪道弯曲段最大水位差为2.99m，平均水位差为1.76m。在溢洪道弯曲段有显著的水流冲击边壁，产生气蚀等情况出现。

(2)方案经过修改后，由于右岸水体所受的重力横向分力，使得左右岸水深差值减小。溢洪道弯曲段最大水位差下降为2.36m，平均水位差为1.08m。左右岸水位差值大的问题大幅缓解。

(3)进一步分析可知，左岸的底板高程下降后，水深略有增大，右岸消减的水体部分增加在中轴附近水流冲击波交汇处，部分增加在左岸。冲击波交汇区域由边壁向中轴偏移，减缓了冲击波对边壁的影响，整个溢洪道弯曲段流态状况有显著改善。

图4 修改方案下溢洪道弯曲段水位分布情况

桩号无超高方案反超高方案左岸右岸两岸水位差左岸右岸两岸水位差溢K0+247.653.944.570.634.464.940.47溢K0+259.873.264.621.373.104.040.95溢K0+272.082.365.302.942.233.871.65溢K0+284.302.635.622.992.614.131.51溢K0+296.523.154.361.213.012.61-0.40溢K0+308.733.154.411.263.264.311.05溢K0+320.953.155.041.893.155.512.36平均值3.094.851.763.124.201.08最大值3.945.622.994.465.512.36

6 结语

针对西彭水电站溢洪道下泄流量大、流态急，弯曲段内外侧水位、过流量差异较大的情况，采用渠底反超高的工程方案进行优化设计，并采用物理模型试验对优化方案就行了验证。研究结果表明：

(1)方案经过修改后，由于溢洪道弯曲段底板高差产生的重力横向分力，抵消了部分弯曲段离心力，使水流在溢洪道弯曲段分布更均衡，左右两侧水位差大幅减小。

(2)冲击波交汇区域由边壁向中轴偏移，减缓了冲击波对边壁的影响，整个溢洪道弯曲段流态状况有显著改善。

(3)试验表明渠底反超高方案可以有效平衡溢洪道弯曲段水流。本文提炼的溢洪道弯曲段底板超高计算方法及物理模型验证手段可为同类工程提供参考与借鉴。