东风水电站泄洪洞泄流原型观测分析

1、东风水电站泄洪洞泄流原型观测分析<     1 工程概况 东风水电站位于贵州省清镇、黔西县交界的乌江干流甲鸭池河段上，距贵阳市 88km ，大坝采用混凝土双曲抛物线薄拱坝，坝顶高程 978.0m ，最大坝高 162m ，装机 510MW ，年均发电量 24.2 亿 kwh 。电站枢纽由大坝、泄洪系统、引水发电厂房等部分组成。 坝址区地质条件复杂，河谷狭窄，两岸岩体风化深约 10 28m ，距坝址 190m 处有 F6 断层及九级滩页岩出露。大坝的泄水 建筑 物由左岸泄洪洞、左岸溢洪道、坝身三个中孔和三个表孔组成，泄洪洞全长 526.021

2、m ，为开敞式无压泄洪洞，主要由引渠段、闸室段、洞身段、出口消能工及护坦组成，进口采用堰式进水口，堰顶宽度 12m ，泄洪洞右侧通过圆弧形翼墙与溢洪道导墙相连。泄洪洞穿过地层为灰岩，埋深 30 100m ，进、出口边坡高度 20 50m 。 溢洪堰堰顶高程 950.00m ，设计挡水位 970.00m 。堰面曲线采用 WES 曲线，定型水头 ，堰面曲线方程 ，在 WES 曲线后由坡度为 1:1 的直线段与反弧段相连，反弧半径为 10m 。泄洪洞洞身全长 466.5m ，底坡为 6.55% ，断面型式为城门洞型，断面尺寸为 12×17.5m 。泄洪洞出口采用斜鼻坎消能工，挑坎高程 90

3、5.609 916.378m ，挑射角 7.01° 33° 。 东风泄洪洞从布置到体型设计虽然作了大量的 计算 分析及水工模型试验 研究 ，并采取了相应的结构措施，但由于高速水流 问题 的复杂性，特别是对采用斜鼻坎型消能工的认识不足，因此有必要通过原型观测来检验设计成果，为电站安全运行提供可靠依据，并为今后同等规模的类似工程提供有价值的参考。 2 原型观测 内容 及测点布置 东风水电站设计洪水位为 973.5m ，此时泄洪洞的泄流量为 2240m ³ /s ，校核洪水位为 977.53m ，相应的泄流量为 3560m3/s ，挑坎附近最大流速达 32m/s 。由于

4、洞身系缓坡，且空穴系数较大，预计不发生空蚀，但要求施工中必须严格控制不平整度。 2.1 观测内容 原型观测的内容包括以下几方面 :(1) 进出口流态； (2) 表面流速观测； (3) 水舌轨迹； (4) 脉动压力； (5) 时均压力； (6) 泄洪洞检查。 2.2 测点布置 时均压力及脉动压力测试布置在斜鼻坎底板上。在底板中心线 0+473.00m 桩号处布置 1# 测点（即时均压力测点 P1 ，脉动压力测点 F1 ），在 0+483.00m 桩号处布置 2# 测点（ P2 ， F2 ）；在偏离底板中心线靠左侧 3m 的 0+493.00m 处布置 3# 测点（ P3 ， F3 ）。 3 观测

5、成果分析对比 3.1 上下游水位及泄量 水库水位观测采用的仪器为 WFY 型浮子式水位计，可自动采集、传送数据，尾水位观测采用 DCB9418 型压力传感式测控仪，流量测验采用旋浆式 25-3 型流速仪，仪器型号为 900015 ，测流使用铅鱼重为 150kg 。各闸门开度下相应上、下游水位、泄量、单宽流量及对比见表 1 ： 表 1 不同闸门开度时泄流量对照表         开度 (e)     库水位 (m)     尾水位 (m)

6、     实测泄量 (m3/s)     单宽流量 (m3/s)     设计泄量 (m3/s)     实测与设计相差 %     1/4     968.08     842.15     730     60.8  

7、0;  720     1.07     1/2     967.93     843.13     1284     107.0     1147     10.67     全开    

8、 967.71     844.72     1926     160.5     1743     9.50     从表中可以看出泄洪洞宽实际过流能力大于相应设计过流量，说明泄洪建筑物能够满足泄洪要求。 3.2 进出口流态及表面流速 (1) e=1/4 闸门开度工况下流态 库中来流平顺，流线清晰，右导流墙头部略有绕流现象，但对进口流态并没有造成

9、 影响 ；闸门前左、右两侧水面各有一漩涡，两漩涡特点有所不同：左侧漩涡距闸门 3 5m ，距边墙约 1m ，强度时大时小，直径约 50 100mm ，表面呈漏斗状，右侧旋涡距闸门 3 4m ，距边墙约 1m ，强度较弱，表面呈波浪状，且有间歇性；闸门前水流表面有一段逆向水流，长度约 1.5m ；进口左边墙上游 2m 处有一残留障碍物，使水流在该处表面出现漩滚，进口左边原 交通 洞洞口平台水流在平台未端略有跌落。 (2)e=1/2 闸门开度下流态 从流线看，进口水面流线并非直线，基本是从右侧绕向进口，右导墙头部绕流明显，并从头部未端起贴壁水流表面出现白色浪花，宽度为 0.5 1.0m ，沿程逐渐

10、增大；表面水流在闸门前产生旋滚，其起始端在平面上呈弧线，旋滚发生后，水流表面有强烈波动和掺气现象，闸门前无明显漩涡；进口左侧平台水流有跌落现象，高差约 30cm ，障碍物对水流产生明显的绕流影响。 (3) 闸门全开工况下流态 进口水流主要来自右侧，右导流墙头部绕流较严重，贴壁水流表面突降，水流绕过墙头后产生斜向表面旋滚，漩滚前沿与洞中线约呈 30° 夹角，旋滚现象沿程逐渐减弱，至闸门处基本消失，左侧残留物对进口左侧水流流态产生不利影响，主要是残留物阻挡水流，使进口及墙面水流发生紊乱；进口两侧水面均低于中部，原因是右侧绕流和左侧残留物阻挡所致。 总体看来， e=1/4 时，在闸门前产生

11、的两个漩涡强度不是很大，且不是贯穿性漩涡，所产生的振动强度不会太大，由于受边界影响产生的绕流现象，尤其是闸门全开泄量加大时，水流侧向和竖向收缩影响了表面水流的稳定，但无多大危害。 (1)e=1/4 闸门开度工况下流态 从消能工水舌形态分析，可分为清水区、表面掺气区、喷射跃射区、内缘水舌落水区、雾化形成区。 出口水舌流量集中于左侧，出洞时水面已掺气，水面一片白，掺气后水面破碎。距洞出口 45m 左右水舌开始跌落，呈喷射状，水流被对流空气撕碎，呈棉团状抛落。水舌头部宽度大约 25m 左右。水流中部到右边墙，水流出洞时有明显清水区，沿水流流程，该区逐渐缩小呈尖三角形状，长度约 30m ，而后消失。水

12、舌清水区右侧为表面掺气区，掺气程度与左侧表面掺气区相近，水流尚未挑起便下落，开始是表面大量掺气，以后在跌落过程中，在空气对流作用下形成棉团状落入河谷。整个水舌，尤其是水舌主流在下跌至河床时，折冲对岸河床和护坡，造成阵发性溅起的水柱，形成大量雾化，水雾沿对岸山坡向上爬，形成强、中、弱多雾化区。 (2)e=1/2 闸门开度工况下流态 水舌中间有清水区，两侧均为表面掺气区，水舌主流集中在左侧，从宽度和气势看均比 e=1/4 开度壮观，水舌头部宽度可达 25 30m ，水舌喷射起始点距洞口 50m 左右时开始呈棉团状下抛。从水舌的流态分区比较，清水区范围明显比 1/4 开度时窄，仍呈三角形状收缩，其长

13、度在 30m 左右，此时的清水区表面已有少量掺气，水舌右侧与左侧相同，也分别为表面掺气区，多喷射跃射区，流态与 1/4 开度相似。水舌雾化，主要是水舌头部落水后顶冲河床右侧岩体，形成阵发性垂直向上溅起的水柱，水体迅速在对流空气中雾化，水舌头部溅起高度可达进厂公路 865m 高程，形成的水雾在无风情况下，沿着右岸山坡爬至 968m 高程左右。 (3) 闸门全开工况下流态 出口水舌大量掺气，主流区仍在左侧，且水舌左高右低，水舌距洞出口 45m 左右时开始下落，其头部宽度在 35m 左右；洞出口水流已无清水区，主要表现为水舌掺气、跃射。 在三种闸门开度工况下，刚开启和关闭时，均出现水舌砸本岸现象，开

14、启时在 2min 左右，闸门关闭时，历时 1min 左右。 3.3 表面流速 采用浮标法测定各闸门开度下的表面流速，见表 2 。 表 2 表面流速观测成果表         闸门开度（ e ）     库水位（ m ）     浮标平均历时（ s ）     表面流速（ m/s ）     1/4     968.08

15、     17.25     27.94     1/2     967.93     17.50     27.54     全开     917.71     18.35     26.27 &#

16、160;   由上表可知各闸门开度下，水流表面流速基本相同，流速变化主要受水头影响。 3.4 水舌形态 测定了三个闸门开度下的水舌轨迹，同时与模型试验结果对比见表 4 。 表 4 水舌轨迹试验对比表         库水位 (m)     尾水位 (m)     闸门开度 (e)     入水前缘 距出口 (m)     入水下

17、缘 距出口 (m)     入水长度  (m)     水舌最高部位宽度 （ m ）     入水 宽度     968.08     842.15     原型     1/4     164     79  

18、0;  85     29     240     967.93     843.13     原型     1/2     155     72     83     30 &#

19、160;   245     967.71     844.72     原型     全开     130     42     88     37          

20、 970.00     847.00     模型     全开     115     49     66           85 观测中我们发现，原型与模型的观测结果存在一定区别，经过分析认为主要是因为在原型泄水时，水流掺气更充分，水舌膨胀也就大得多。

21、          测点瞬时压力 P （ t ）为时均压力与脉动压力 ±P 之和，即 P （ t ） =P+P 。其中 P 包括静水头和部分动水头，而脉动压力则通过以下四种特征值来描述： 均方根值，表示脉动压力强度的特征值；   功率谱密度函数，表示脉动压力随机过程的频率分布结构； 自相关函数，用来描述随机过程在时间域上的特性； 概率密度函数，表示不同脉动强度的相应概率。 1# 、 2# 、 3# 测点测得各组压力时均值 ，瞬时最大压力 、最小压力值 ，脉动压力均方差及相关参数见表 3 。 表

22、3        观测结果参数表         测点     闸门 开度 (e)     上游 水位 (m)     流量 Q (m3/s)     时均压力 （ KPa ）     最大压力 （ KPa ）    &

23、#160;最小压力 （ KPa ）     脉压均方根 （ KPa ）     (KPa)     (KPa)     优势 频率 f （ Hz ）     紊动 系数 Cv （ % ）     1#     1/4     968.08    &#

24、160;730     90.68     104.21     78.33     3.75     7.35     9.68     0.90     4.14     1/2     967.

25、93     1284     96.61     118.16     82.61     4.11     8.06     10.60     0.34     4.25     全开 

26、0;   967.71     1926     145.43     161.82     131.92     3.63     7.11     9.37     0.48     2.50  

27、   2#     1/4     968.08     730     72.01     90.53     57.79     4.18     8.19     10.78   &#

28、160; 1.06     5.80     1/2     967.93     1284     77.84                           &#

29、160;                   全开     967.71     1926     92.55                     

30、;                          3#     1/4     968.08     730     51.35     68.60   &

31、#160; 39.60     3.40     6.66     8.77     0.72     6.62     1/2     967.93     1284     61.07    &#

32、160;81.77     46.65     4.32     8.47     11.15     0.41     7.07     全开     967.71     1926     67.

33、08     88.15     54.68     4.47     8.763     11.53     0.39     6.67                    从测试结果 分析 可知，各测点脉动优势频率明显，自相关性好，其脉动概率密度分布均近似高斯正态分布。按正态分布考虑，即可取概率为 P=68.3% 的均方差（ ）为平均脉动压力强度，取 P=95.44%