水电站泄洪洞体型优化模型试验研究

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。

电气设备的质量问题首先体现在安装方面，因为安装过程中的动、静触头无法实现完全的接触，或者是接触面积达不到安全性的需要，也可能是因为动力不足，也容易存在很多的安装操作失误的情况，从而导致了接触面积存在严重的电热氧化问题，在具体的应用过程中电阻增大，使得触头出现了强击电流，造成了触头出现了损伤的情况，使用寿命也无法满足使用的需要。其次，断路器中的弧触安装中存在很多的问题，比如接触力度不足等问题，使得在正常工作的过程中触头结构的温度持续的上升，使得温度过高而存在绝缘介质的分化，压力会急剧的提升，一旦操作不当就会出现因为温度超高而出现爆炸的危害，极易造成工程安全性无法满足要求[2]。

两组患者在各自治疗的基础上,进行针灸治疗。根据患者不同症状体征,辩证辨病取穴,在选取的穴道之间进行交替针刺,得气以后留针30min,每天进行一次,两周为一个疗程,连续进行两个疗程。

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

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：

表1 各主要物理量相似比尺

物理量 长度流量λL时间λt速度λv λQ糙率λn压强λP

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]。

采用10G EPON升级改造，利旧现有ODN、分光比、用户配线光缆等，只需新增10G EPON PON口，用户终端两块费用，小区渗透率按60%考虑，初期10G EPON终端按用户20%替换，合计51台，估列费用如下；

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。

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。

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。

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。

4.2.1 原设计挑坎试验成果

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。

2)在一定真空度的情况下, 增大吸孔直径可以增大吸种高度，种子在同一处所受的吸附力将变大,但是吸孔直径一定要小于种子直径。

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。

4.1.2泄洪洞修改方案Ⅱ试验成果

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。

根据项目区实际情况和治理目标，并遵循自然规律和经济规律，因地制宜地提出治理标准。主要遵循以下原则：与骨干河道及上下游相协调原则，与区域经济发展相协调原则，与前置规划文件相协调原则，与相关规范相协调原则。

很多中小学管理者都认为学校是教书育人的地方，主要工作是教育教学，因此就把主要的工作重点放在了教学一线上，认为财务管理只是教学的辅助工作，没有给予充分的重视，这就导致了中小学财务管理过程中的内控制度未能及时制定并落实，更甚者诸多学校根本不设置财务部门，将财务工作的人员和职能划归到后勤部门或校长办公室，由非专业的部门负责学校教育资金的使用、教育设备的管理，这必然导致中小学财务管理的混乱；同时，部分中小学的财务岗位是由学校财务主管领导兼任，丝毫没有注意岗位不相容的问题，这更给了学校部分管理人员利用职务之便侵吞国有资产的可能，这都与学校管理者对财务管理中的内控未给予必要的重视有关。

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

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。

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。

针对目前的市场形势，国内出现了两种CDM开发模式。一是先签订减排量购买协议，由买家承担前期开发成本和风险的双边模式。二是由业主承担前期开发成本和风险、待项目注册成功后再寻找买家的单边模式。

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。

2.通过对折现率R取9%～11%的值，g取2%～6%，计算永续增长(第二种情况)和零增长(第三种情况)模型下的不同的投资因子，见表1和表2：

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.