Analysis and Evaluation of Hydraulic Model Test Results of the First Hub of Diversion Power Station
冯济慈 FENG Ji-ci
（新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830002；新疆水利水电学校，乌鲁木齐 830002）
（College of Hydraulic and Civil Engineering of Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830002，China；
Xinjiang Hydraulic and Hydropower College，Urumqi 830002，China）
摘要：本文介绍了以新疆新能大山口二级水电站首部枢纽水工模型试验为基础，通过水工模型试验，验证、优化泄洪建筑物的布置，着重对原方案建筑物在不同洪水流量下的泄流能力，和泄流出口的消能防冲效果等做出评价，提出优化调度运行方式。
Abstract: Based on the hydraulic model test of the first hub of Dashankou II Hydropower Station in Xinneng, Xinjiang, this paper verifies and optimizes the layout of flood discharge structures through hydraulic model test, emphatically evaluates the discharge capacity of the original structure under different flood discharge and the effect of energy dissipation and scouring prevention at the outlet of flood discharge and puts forward optimizing dispatching operation mode.
关键词：水工模型；试验研究；评价；优化方案
Key words: hydraulic model；experimental study；evaluation；optimization scheme
中图分类号：TV131.61 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0250-02
0 引言
新疆地处祖国西北，南北疆、各区域间水资源分布不均，水利水电工程开发对电力供给、农业灌溉、调洪减灾、城市供水给水和生态环境治理等多方面均做出了巨大贡献。首部枢纽作为引水式水电站建设中的一个主要部分，在水电站建设中起着重要作用，首部枢纽布置是否合理，直接影响到水电站发电机组的性能、安全性、经济性及其他风险等关键问题。本文以新疆新能大山口二级水电站首部枢纽为研究对象，通过水工模型试验，验证、优化泄洪建筑物的布置，并着重对首部枢纽泄流能力和消能防冲效果进行分析，提出优化原方案的建议。
1 工程概况。
大山口二级水电站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县境内，开都河规划梯级开发中的第8级，大山口二级水电站以发电为主，水电站引水发电流量227m3/s，正常蓄水位1351.3m（接大山口电站尾水），尾水高程1316.5m，装机容量49.5MW，由装机容量确定水电站工程等别为Ⅳ等。首部枢纽主要建筑物包括溢流堰、泄洪冲沙闸等。溢流堰布置在河道左岸河床，WES堰型，堰顶高程1351.3m。泄洪冲沙闸共四孔，闸底板高程1345.4m，闸顶高程1354.0m。引水建筑物布置于河道右岸，水电站进水口位于泄洪冲沙闸上右侧，为开敞式建筑，设五孔闸室控制，闸底板高程1346.4m。引水隧洞总长3.03km，圆形断面，直径为9.5m。
2 设计参数
2.1 试验流量与水位
校核洪水频率P=0.5%，重现期为200年一遇，相应洪峰流量1661.4m3/s，校核洪水位1352.77m。设计洪水频率P=2%，重现期为50年一遇，相应洪峰流量1227.5m3/s，设计洪水位1351.74m。多年平均流量：110.45m3/s。正常引水位：1351.30m。泄洪冲沙闸：设计流量1116.44m3/s，校核流量1397.18m3/s。溢流堰：设计流量49.94m3/s，校核流量266.36m3/s。水电站：引水发电流量227.0m3/s。另选30年一遇（P=3.3%），相应洪峰流量1134.0m3/s；20年一遇（P=5%），相应洪峰流量1027.8m3/s；10年一遇（P=10%），相应洪峰流量827.8m3/s；5年一遇（P=20%），相应洪峰流量641.0m3/s；2年一遇（P=50%），相应洪峰流量412.0m3/s等作为系列流量。发电厂房最低尾水位：1314.60m；正常尾水位：1316.50m。
2.2 水工模型比尺
几何比尺λL = 55
流量比尺λQ = λL2.5 = 22434
流速比尺λV = λL 0.5 = 7.416
糙率比尺λn = λL 1/6 = 1.950
水流运动时间比尺λt = λL 0.5 = 7.416
3 水工模型试验成果
泄流能力：
3.1 溢流堰
当堰前水位为1351.74m时，在泄洪冲沙闸和引水闸全关情况下，溢流堰通过流量Q=28.45m3/s。当堰前水位为1352.77m时，在泄洪冲沙闸和引水闸全关情况下，溢流堰通过流量Q=231.86m3/s。
上述试验表明原设计方案中提供的设计水位1351.74m和校核洪水位1352.77m情况下通不过设计流量Q=49.94m3/s和校核洪水流量Q=266.36m3/s（以上为试验任务书中提供的计算值）。鉴于该情况，进行以流量定水位系列试验。
当施放200年一遇校核洪水流量Q=1661.4m3/s时，在泄洪冲沙闸4孔全开、引水闸全关的情况下，堰前水位经测定为1352.43m。
当施放50年一遇设计洪水流量Q=1227.5m3/s时，在泄洪冲沙闸4孔全开、引水闸全关的情况下，堰前水位经测定为1351.66m。
当施放溢流堰校核流量Q=266.36m3/s时，在泄洪冲沙闸和引水闸全关情况下，堰前水位经测定为1352.84m。
当施放溢流堰设计流量Q=49.94m3/s时在泄洪冲沙闸和引水闸全关情况下，堰前水位经测定为1351.92m。
溢流堰水位～流量关系曲线见图1，溢流堰下泄校核洪峰流量Q=266.36m3/s，见图2。从整体看，溢流堰上下游流态基本平稳。
3.2 泄洪冲沙闸
当4孔泄洪冲沙闸全开、下泄校核洪水流量1397.18m3/s时，闸前水位为1352.52m。低于校核洪水位1352.77m。
当4孔泄洪冲沙闸全开、下泄设计洪水流量1116.44m3/s时，闸前水位为1351.39m，低于设计洪水位1351.74m。水位～流量关系曲线见图3。
当闸前水位为校核水位1352.77m时，泄洪冲沙闸下泄流量1478.23m3/s，当闸前水位为设计洪水位1351.74m时，泄洪冲沙闸下泄流量1324.32m3/s。
泄洪冲沙闸的布置和上游来流方向一致，故在施放校核、设计洪水流量时，水流顺利通过泄洪冲沙闸，水流流态平稳。
3.3 引水闸
当引水闸引水流量Q=227.0m3/s时，闸前水位1351.30m基本符合原设计情况。引水闸全开时的水位～流量关系曲线见图4。
4 溢流堰出口消能防冲效果
溢流堰出口消能防冲采用混凝土护坦和铅丝石笼护坦结合的形式，护坦长25m，护坦末端与长30m、深1m的水平铅丝石笼护坦连接，铅丝石笼护坦段末端是长为116m的下游河道整治段。当溢流堰下泄校核洪峰流量266.36m3/s时，堰后出口消能段流态平稳，铅丝石笼护坦稳定，其末端局部最大冲坑约1.5m深。
5 泄洪冲沙闸出口消能段防冲效果
泄洪冲沙闸闸后消能防冲也采用混凝土护坦和铅丝石笼护坦结合的形式，护坦长21.0m。护坦末端与长28m、深3m的铅丝石笼护坦段连接，铅丝石笼护坦段末端为145.7m长得下游河道整治段。当4孔泄洪冲沙闸下泄校核洪水流量1397.18m3/s时，闸后出口消能段流态基本正常，无水花四溅现象，据量测，闸后护坦处平均水深5.14m、平均流速9.23m/s；铅丝石笼处平均水深6.19m、平均流速7.67m/s。当4孔泄洪冲沙闸下泄设计洪水流量1116.44m3/s时，闸后出口消能段流态同于校核工况。据量测，闸后护坦处平均水深3.27m、平均流速8.78m/s，铅丝石笼处平均水深4.28m、平均流速7.14m/s。在校核、设计工况下，护坦末端铅丝石笼设置区后均出现水跃。由于铅丝石笼设置于软基上，铅丝石笼后部及底部软基被淘刷，校核流量施放了三次，累积时间为1.7小时，设计流量施放了三次，累积时间为2.5小时，铅丝石笼段后冲刷坑最大深度达7.98m，冲刷坑最宽处为71.5m，影响范围约3460平方米。
6 结束语
从施放设计、校核流量的整体情况来看，枢纽进出口流态较平稳，上下游水面衔接良好，流速分布较均匀。溢流堰在设计和校核洪水位时，其泄流量为28.45m3/s和231.86m3/s，但泄洪冲沙闸在设计和校核洪水位时的泄流量为1324.32 m3/s和1478.23m3/s。可见，在设计和校核洪水位时，枢纽的综合泄流能力能够满足设计要求。泄洪冲沙闸的铅丝石笼护坦后冲坑较深，长时间过设计流量时，有可能破坏护坦，甚至危及闸室稳定，建议适当延长和加深护坦后的抛石护底。
参考文献：
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