四川省官帽舟水电站泄洪建筑物水工模型试验研究

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摘要：摘要：为验证四川省官帽舟水电站溢洪道和泄洪洞布置方案的合理性，通过水工模型试验，研究了该水电站的进水条件、泄洪能力、挑流消能效果及冲坑范围等。同时，根据试验结果优化了墩尾及闸室、挑流鼻坎结构型式及下游右岸边坡开挖支护方案。结果表明：官帽舟水电站溢洪

　　摘要：为验证四川省官帽舟水电站溢洪道和泄洪洞布置方案的合理性，通过水工模型试验，研究了该水电站的进水条件、泄洪能力、挑流消能效果及冲坑范围等。同时，根据试验结果优化了墩尾及闸室、挑流鼻坎结构型式及下游右岸边坡开挖支护方案。结果表明：官帽舟水电站溢洪道和泄洪洞进出口流态稳定，泄流能力满足设计要求;优化后的方案更加安全合理，有效减少了开挖工程量并降低了项目成本。

　　关键词：溢洪道;泄洪洞;水工模型试验;泄流能力;官帽舟水电站

　　0 引 言

　　泄洪建筑物是枢纽的重要组成部分，是保障枢纽工程安全的关键性建筑物。四川省官帽舟水电站地处高山峡谷，河面狭窄，合理选择泄洪建筑物型式及组合是枢纽布置中的关键内容。由于官帽舟水电站坝址河床狭窄而洪水流量大，若设置溢洪道单独泄洪，下游消能压力较大，集中冲刷对边坡稳定不利。为了工程的安全运行，选定溢洪道和泄洪放空洞共同泄洪的方案为推荐泄水建筑物布置方案，溢洪道和泄洪放空洞均布置在右岸。经方案设计，官帽舟水电站溢洪道轴线与泄洪洞轴线基本平行，进水口均布置于右坝肩上游侧，仅相距46 m，出口共用出水渠。考虑到溢洪道和泄洪洞为枢纽仅有泄洪建筑物，运行过程中存在流量大、运行工况复杂、启用频繁、出流挑射水舌相互影响等因素，本文开展了溢洪道和泄洪洞整体水工模型试验和局部动床模型试验，以验证枢纽溢洪道和泄洪洞布置方案的进水条件、泄洪能力、挑流消能效果及冲坑范围等。

　　1 工程概况

　　官帽舟水电站位于四川省乐山市马边县境内，是规划的马边河干流7级开发方案的龙头水库电站。工程任务以发电为主，兼顾下游减水河段生态环境用水，并结合汛期水库蓄水提高下游防洪能力和改善农业灌溉条件。电站正常蓄水位674 m，总库容9 733万m3，调节库容5 730万m3，采用混合式开发，装机容量12万kW，多年平均发电量4.761亿kW·h，可增加下游梯级电站枯期水电量1 655万kW·h，电站建成后向四川省电网供电。

　　溢洪道布置在右岸，由进水渠段、闸室控制段、泄槽段及挑流消能工组成，全长510.973 m。采用2孔弧形闸门，其闸孔尺寸为14 m×12 m。溢流堰为WES实用堰，堰顶高程为662 m，闸墩顶厚度为3 m，顺水流流向长度为33 m。泄槽段采用矩形泄槽，控制段后采用左右对称收缩，收缩角取4°，收缩后槽宽为28 m，顺水流流向平面长度为238.67 m，泄槽坡度为单一坡度1∶4.2。采用挑流鼻坎消能，坎顶高程为596 m，顺水流流向平面长度为24.4 m。

　　泄洪洞结合导流洞布置，其轴线与溢洪道轴线平行，距离溢洪道轴线右侧32 m。检修闸门井与工作闸门井并列布置在溢洪道进水渠上游的泄洪洞轴线上。泄洪洞包括喇叭进水口、有压圆形洞、闸门井段、龙抬头段、结合导流洞段和出口消能段。有压段洞径为7.5 m，顺水流向长度为197.234 m。闸门井底板高程为620 m，井顶高程为679 m。闸门井后无压段采用7.5 m×11.5 m城门洞形，其中龙抬头段长度为122.12 m，结合导流洞长度为259.04 m。出口底板高程为584 m，采用挑流鼻坎消能。官帽舟水电站平面布置见图1。

　　2 试验设置

　　模型试验主要研究溢洪道、泄洪洞在各种工况下的泄流能力、进出口流态、调节溢洪道、泄洪洞闸门开度及开启方式、下游冲坑形态等，并针对不合理的结构进行优化设计。

　　2.1 模型试验工况

　　根据试验内容设定了3种工况，如表1所示。

　　2.2 水工模型制作

　　水工模型试验采用正态水工整体模型，按弗汝德重力相似准则设计[1-4]，几何比尺选定为1∶50(长度比尺λL=高度比尺λh=50)，流量比尺[λQ=λ2.5L=17 678]，流速比尺[λv=λ0.5L=7.07]，糙率比尺[λn=λ16L=1.92]。溢洪道采用有机玻璃制作，有机玻璃表面糙率约为0.008，换算到原型后糙率为0.015。下游河床按挑流水舌可能覆盖范围進行动床模拟，动床铺设的散粒体粒径采用伊兹巴斯公式计算[5-6]。

　　[v=(5～7)D]

　　式中：v为抗冲流速，m/s;D为散粒体粒径，m。

　　3 试验结果分析

　　3.1 泄流能力

　　3.1.1 溢洪道、泄洪洞单独敞泄

　　溢洪道、泄洪洞分别单独敞泄的泄流能力试验结果与计算结果对比如图2～3所示，可以看出溢洪道和泄洪洞单独泄洪的试验泄流能力均略大于各自的计算泄流能力，说明满足设计要求。

　　3.1.2 溢洪道和泄洪洞联合泄流

　　溢洪道和泄洪洞联合泄流时，试验水位与设计水位对比结果见表2。

　　下泄流量Q=4 170 m3/s(P=0.05%)时，设计水位与试验水位的差值达到1.05 m，溢洪道、泄洪洞联合运行时宣泄校核洪水流量尚有一定余地;100 a一遇洪水(P=1.00%)下泄流量Q=2 750 m3/s时，试验测得库水位值为672.41 m，比设计计算值低0.28 m;30 a一遇洪水(P=3.33%)下泄流量Q=2 236.5 m3/s时，溢洪道控泄，闸门开度约为2.5 m。各种工况下泄能力均能满足设计要求。

　　3.2 进口段流态与墩尾及闸室优化

　　(1)溢洪道进水渠导墙型式设计合理，进水渠水流过渡流畅平顺，导流效果良好。进水渠周边坝面水流底层流速一般均小于1.0 m/s，不会对坝面造成冲刷，开挖平台左侧导墙头部附近流速达到3.6 m/s，建议对此处采取适当防护。

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