水电站消力池优化设计研究

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［摘要］文中以辽宁省丹东凤城三湾水电站为例，以水工模型试验的方法对该电站泄洪洞消力池方案设计进行优化，结论显示消力池优化设计方案水流流态良好，在流速和底板压强方面完全满足工程设计和相关施工规范的要求，建议在工程设计中采用。

［关键词］三湾水电站；消力池；优化设计

1工程背景

三湾电站位于辽宁省丹东凤城市境内的爱河下游东汤镇三湾村境内，是一座以发电为主，兼具旅游和水产养殖等功能的综合性水利工程。水电站为浆砌石拱坝，最大坝高66m，总库容2430万m3，装有3台8MW水力发电机组，总装机容量24MW，工程预计于2019年建成投入使用，对缓解凤城市城乡电力短缺，促进区域经济发展起到了重要作用。电站的导流泄洪洞位于大坝左岸的岩体内，在工程修建期间主要承担施工导流功能，在水电站建成投运后还承担泄洪、冲沙和放空任务，属于一条多功能永久性隧洞设施，因此设计和修建标准较高。从结构设计来看，导流洞主要由进口段、闸井段、洞身段、出口泄槽及陡坡扩散段和出口消能段构成，施工期最大导流流量为183.5m3/s，水库运行期间的设计洪水流量为306.5m3/s，校核洪水流量为345.5m3/s。

2模型设计和制作

2.1泄洪洞出口段设计方案。三湾水电站导流泄洪洞出口泄槽段截面为矩形，宽5.5m，高5.5m，扩散段的宽度由5.0m逐步增加到12.5m，底板高程由178.9m逐渐降低到176.9m，通过抛物线与消力池连接；出口段消力池宽8.0m，长55.5m，深4.3m，消力池底板高程为173.0m，设计为带支撑杆的U型结构，水流在出池后进入退水段。2.2模型的设计与制作。研究不仅要完成导流泄洪洞的整体模型试验，还要局部流态研究，因此模型试验设计应该满足SL155-95《水工（常规）模型试验规程》[1]和SL158-95《水工建筑物水流压力脉动和流激震动模型试验规程》[2]等相应的水工设计规范要求。考虑试验场地因素，模型采用的几何比尺为50。为满足水流紊动阻力相似性需求，模型采用有机玻璃板制作，高程误差小于2mm，平面误差小于10mm[3]。水位监测采用DJ800型多功能监测系统；断面流速分布采用DJ800型多功能监测系统和毕托管联合监测测量；底板压强采用采用DJ800型多功能监测系统的压力探头测量；水流流态采用高倍像素相机拍摄[4]。2.3试验方案和数据采集。根据导流泄洪洞消力池的运行实际，需要对流速分布、压强分布以及水面线和水流流态进行试验分析[5]。在数据采集方面，水位和和流速测点采用等间距布置，在消力池段设置5个测点；消力池压强测点在底板上均匀布置，共28个压强测点。2.4试验工况。结合工程设计数据和相关研究的具体经验，研究设计如表1所示，3个试验工况[6，7]。

3消力池优化设计的模型试验分析

3.1原方案水流流态分析。在常遇洪水条件下，水流进入陡槽段后，沿程水位逐渐降低，之后进入消力池产生水跃，随着流量的逐渐增加，消力池的水流流态也呈变差态势，在水跃后移的同时也逐渐由淹没水跃演变为远驱水跃。这说明消力池的尺寸不足，需要增加消力池的深度和宽度。另一方面，由于消力池深度不足，致使末端水流深度较大，在进入护坦段后，由于河道宽度突然增加，导致水面发生比较严重的跌落，因而水流的流速变大且波动十分剧烈，进而造成下游河道的严重冲刷。因此，需要对消力池进行优化设计，改善水流流态和水力特征。3.2消力池优化方案设计针对原方案在模型试验过程中表现出的问题，将底板高程由原来的173.0m降低到271.0m，泄槽段与消力池的底板连接部分设计为半径30m的曲线结构，将消力池的宽度增加2.0m，由原来的8.0m增加到10.0m，消力池下游的护坦高程保持不变，将其长度增加到40m。针对修改后的消力池设计方案，在3种工况下再次进行试验和测量[8]。3.3优化设计方案的水力特征分析。3.3.1水流流态分析。在优化设计方案中，泄洪洞陡坡泄槽段的宽度从8.0m逐渐扩散到10.0m，水流受到扩散段的影响而向中部汇集，呈现出中间深度大、两侧深度小的流态。在水流进入消力池后可以形成完整的淹没水跃，随着库水位和流量的增加，水跃的跃首逐渐向后移动，摆动范围也逐渐增加，具体试验结果如表2所示。在水位和流量达到设计洪水标准时，水跃的跃首在消力池的0+619.23断面和0+627.53断面之间摆动；在水位和流量达到校核洪水标准时，水跃的跃首在消力池的0+618.12断面和0+632.08断面之间摆动。虽然库水位和流量的增加会导致消力池水流流态变差，特别是水跃跃首的摆动范围有所变大，但是在3种工况下均为淹没水跃，说明消力池设计方案在优化之后的深度和宽度值可以满足消能的实际需求。3.3.2优化方案水面线分析。在试验过程中测量了消力池优化设计方案在不同工况下的水深，结果如表3所示。显然，消力池的边墙高度应该为实测水深加上安全超高，由表格中的数据可知，消力池水跃段在设计洪水条件下的实测最大水深为14.96m，而此段的边墙高度设计值为15.4m，所以边墙高度完全满足泄流要求。在消力坎退水渠段，在设计洪水流量条件下的实测最大水深为4.57m，该段的边墙高度为6.0m，在度汛期间该段边墙的高度完全满足要求。在出口消能段的其他分段，实测水深均显著小于边墙设计高度，说明边墙设计高度能够满足泄流要求。3.3.3水流流速对比。为了进一步确定消力池优化设计方案的技术可行性，对其在3种不同工况下的包括消力池段在内的泄洪洞出口消能段11个断面的水力学参数进行测量分析。泄洪洞出口消能段的断面流速设计值与试验结果的对比如表4所示。由表格中的数据可以看出，各断面的实验流速和设计流速均存在一定的差距，但是总体上看均小于设计流速值，完全满足施工设计的要求。3.3.4底板压强对比。试验过程中对典型断面压强进行测量，获得如表5所示的结果。由表格中的数据可知，在消力池优化设计方案条件下，泄洪洞出口消能段底板压强分布均匀，变化幅度不大。各个测量断面的泄槽底板压强总体分布状况良好，只有弯道段压强分布不均匀，具有较大的变幅；底板压强大多为正值，但是在0＋613断面出现了最大值为-1.50kPa的负压，但是负压值并不大，不会对底板的稳定造成威胁。

4结论

以辽宁省丹东凤城三湾水电站为例，以水工模型试验的方法对该电站泄洪洞消力池方案设计进行优化，可知：1）通过模型试验，观察了消力池原始设计方案条件下的水流流态。结果显示，随着流量的逐渐增加，消力池的水流流态也呈变差态势，主要表现为水跃后移的同时也逐渐由淹没水跃演变为远驱水跃；在进入护坦段后，水面发生比较严重的跌落，水流的流速变大且波动十分剧烈，会对造成下游河道的严重冲刷。2）针对消力池原始设计方案下的水流流态存在的问题，提出了加宽和加深消力池的优化设计方案，以改善水流流态和水力特征。3）为了进一步确定消力池优化设计方案的技术可行性，对对其在3种不同工况下的水力学参数进行测量分析。结论显示，泄洪洞出口消能段各断面的实验流速总体上看均小于设计流速值，完全满足施工设计的要求。泄洪洞出口消能段底板压强分布均匀，变化幅度不大。各个测量断面的泄槽底板压强总体分布状况良好，仅在在0＋1668断面出现了最大值为-1.50kPa的负压，但是负压值并不大，不会对底板的稳定造成威胁。综合上述，消力池优化设计方案水流流态较好，在流速和底板压强方面完全满足工程设计和相关施工规范的要求，建议在工程设计中采用。

作者:原有芬 单位:桓仁满族自治县水库移民开发局