吉布洛电站上游调蓄水库泄水建筑物水工模型试验研究

李颖，陶永霞，刘子祺，罗全胜，雷恒

（1．黄河水利职业技术学院，河南开封　475004；2．小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南开封　475004；3．黄河水利水电开发总公司，河南济源　459017）

吉布洛电站上游调蓄水库泄水建筑物水工模型试验研究

李颖1，2，陶永霞1，2，刘子祺3，罗全胜1，2，雷恒1，2

（1．黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2．小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南开封475004；3．黄河水利水电开发总公司，河南济源459017）

针对吉布洛电站上游调蓄水库泄水建筑物底孔位置低、泄量大、下游仅用防冲护坦作消能工等特点，采用1∶40几何比尺建立了正态整体物理模型，通过模型试验分析了泄水建筑物过流能力、水流流态及流速、进出口体型等。试验发现泄流时，出现了排漂泄流下游水横向流入表孔下游、主流侧流左右岸裹头水流现象明显、底孔下游水跃有水拱及二级水跃现象发生等问题。为此，提出了边墩进口体型优化方案，同时疏浚下游河道，改善水流流态。结果表明，措施有效，横向流消失，水拱及水跃现象基本消除，为工程设计和施工提供依据。

泄水建筑物；水工模型试验；流态；流速；吉布洛电站

1　概况

吉布洛电站上游调蓄水库位于赤道几内亚维乐河上，工程为闸坝式结构，河床坝段为混凝土挡水及泄水建筑物，两岸连接段为心墙堆石坝，坝长518 m，坝宽约100 m，最大坝高50 m。混凝土泄水建筑物长113 m，由3个泄洪底孔、3个泄洪表孔和1个排漂道组成，如图1所示。设计洪水标准［1］为500年一遇，校核洪水标准为10 000年一遇。泄水建筑物具有底孔位置低、泄量大、泄流条件复杂等特点，最大泄量6 206 m3/s，而且大坝下游未建消力池，仅考虑利用岩石自身抗冲能力，设置了防冲护坦。

图1　泄水建筑物平面布置图Fig.1　The plan of the flood discharge structure

2　模型设计与工况选择

2.1模型设计

根据弗劳德重力相似准则设计模型［2-3］，模型几何比尺为Lp/Lm=λL=40，其流速比尺、流量比尺、糙率比尺、时间比尺、密度比尺分别为6.32、10 119.29、1.85、6.32、1。按原地形制作正态整体模型，模型主要由上游水库、发电站进口、底孔、表孔及排漂泄水建筑物和下游河道组成。模型试验采用断面法制作地形，坝体部分采用混凝土制作，过水建筑物使用有机玻璃制作，河床采用混凝土砂浆硬化，砂浆厚度达到4 cm，边墙采用24砖墙砌筑，内外墙面使用混凝土砂浆粉面，尾水采用插板式尾门设计，尾门宽度13 m。试验设备和量测技术条件均满足《水工（常规）模型试验规程》［4］要求。

2.2模型试验工况与测试方法

根据模型测试程序及试验测试内容，制定了本模型试验的试验工况、运行工况、观测内容等，模型试验工况见表1。

为量测分析校核洪水位、设计洪水位时底孔泄洪建筑物、表孔泄洪建筑物及排漂建筑物堰面压力，在底孔、表孔泄流建筑物及排漂建筑物堰面分别布设测压管12根、15根、10根［5］，如图2（a）所示。为控制上下游校核洪水位、设计洪水位及水库、电站进水口不同水位，分别在坝上0～100.00断面、距下游尾门80 m处和距电站进口上游50 m处布设测针量测控制水位；在上下游过水断面布设7个过水断面，采用三点法测速；左1～左4、右1～右4分别为左右岸顺坝流测速断面，采用三点法测速；下游左右裹头布置6个测速断面，采用一点法测速，如图2（b）所示。试验采用LGY-Ⅲ型多功能智能流速仪进行测速，WYG-Ⅱ型智能水位仪进行水位量测，测针为SCW60，精度为＜±0.27 mm。

表1　模型试验工况表Tab.1　Table of working conditions of the model test

3　原设计试验及结果

3.1过流能力分析

整体泄水建筑物水位与流量关系如表2所示，可以看出泄水建筑物设计洪水位下最大泄流量6 625.89 m3/s，校核洪水位下最大泄流量6 837.60 m3/s，大于6 206 m3/s，满足过流能力要求。

图2　压力及流速测试点布置平面图Fig.2　Arrangement of test measuring and velocity points

表2　整体泄流建筑物水位与流量关系Tab.2　Relations between the water level of the whole sluicing structures and flow

3.2水流流态分析

1）全开设计洪水位时，上游左右岸有顺坝流，但顺坝流速不大；表孔泄流建筑物的左右边孔绕流明显，左边墩处绕流深度4 m左右，右边墩处绕流深度2 m左右，边孔泄流有偏流、脱流现象；底孔水面处右侧漏斗漩涡不断，多发生在右岸连接坝段，漏斗漩涡深度超出1 m，如图3（a）所示。下游603 m时水跃、水拱、二级水跃位置较下游606.22 m时下移，侧流现象不太明显；下游606.22 m时左岸裹头上水深2 m左右，右岸裹头上水深2.8 m左右。

图3　典型工况各段流态Fig.3　Flow regime of each typical condition

2）全开校核洪水位时，上游左右岸顺坝流明显，但顺坝流速不算大；表孔左右边孔绕流更加明显，左边墩处绕流深度6 m左右，右边墩处绕流深度4 m左右，边孔泄流偏流现象明显，如图3（b）所示。底孔右侧水面处漏斗漩涡频繁发生，漏斗漩涡深超出1.5 m，水面深陷，漩涡挟带气泡进入进水口，如图3（c）所示。下游603.5 m时水跃、水拱、二级水跃位置较下游606.53 m时稍下移，侧流现象不太明显；下游606.53时侧流现象较明显，左岸裹头上水深2.8 m左右，右岸裹头上水深2～2.8 m。

3.3水流流速分析

设计洪水位下整体泄流时，底孔泄流下游主流基本居中，表孔泄流下游主流居中稍偏右。底孔下游跃前断面底部流速约为25.11 m/s，水跃区底部最大流速约为21.06 m/s，表孔下游跃前断面底部流速约为21.75 m/s，水跃区底部最大流速约为21.36 m/s；通过水跃消能后底部流速基本小于10 m/s。校核洪水位下底孔、表孔除有个别点流速大于10 m/s，其他流速均小于10 m/s，说明护坦起到了一定的消能防冲作用。

左岸顺坝流稍强于右岸，校核洪水位时顺坝流流速稍大于设计洪水位时顺坝流流速，但一般顺坝流流速平均小于0.50 m/s，建筑物整体泄流时左右岸的顺坝流应该不会对土坝体连接段造成冲刷。上游裹头进口处底孔底部流速为1.12 m/s，表孔底部流速为1.02 m/s，裹头处流速较单体泄流时小，均不会引起上游裹头冲刷。下游裹头水流速度一般不大于10 m/s，不会引起下游基岩河床的冲刷。

坝下游未作消能工［6］，裹头处流速量测结果见表3。左裹头底部流速均小于10 m/s，右裹头1处～右裹头3处底部流速最大，设计洪水位下右裹头底部最大流速为16.05 m/s，校核洪水位下右裹头底部最大流速为20 m/s左右。斜坡护坦0+033.00断面下游底部流速基本均小于20 m/s。由此可判断利用岩石自身抗冲能力能起到消能防冲效果。

3.4水面线分析

通过不同工况水面线测绘图可以看出，排漂泄流时下游水面比较平稳，水位沿程变化不大，校核洪水位时裹头处最高水位位603.28 m，低于裹头顶部高程603.5 m；底孔泄流、表孔泄流水位沿程变化较大，从坝顶下泄水流在建筑物下游发生水跃水面壅高，在跃后（坝下游87.5 m左右）发生水拱水面继续升高，在坝下游145 m以后水面开始下降，然后受下游地形影水面又升高。表孔泄流时下游左岸裹头处最高水位为605.16 m，底孔泄流时下游右岸裹头处最高水位为606.32 m，而左右岸裹头顶部高程为603.5 m，因此下游洪水时极易发生主流侧向流［7-8］。

4　优化设计后试验及结果

1）表孔边墩优化

为改善表孔进口流态，沿表孔左右边墩向上游延伸做导流墩，优化表孔进口体型，减小改善边墩进口绕流现象，导流边墩为1/4圆弧，圆弧半径为6 m，圆心o在底孔上游最边沿线上，如图5所示；表孔进口改进后，表孔单体泄流、整体泄流时，表孔进口边墩绕流深度与改进前相比大大改善，最大绕流深度1.5 m左右，远小于优化修改前表孔进口绕流深度，表孔左、右边孔主流基本居中，堰面下游偏流、脱流现象得到很大改善，如图6所示。

表3　设计洪水下游603.0 m泄流时垂线流速分布Tab.3　Vertical velocity distribution of the designed flood downstream discharge of 603.0 m　m/s

图4　泄水建筑物全开校核洪水位（下游606.53 m）水面线Fig.4　Checking the water level of flood（606.53 m downstream）with the discharge structure fully opened

图5　表孔边墩优化模型平面图Fig.5　Optimized model plan of the table hole pier

图6　表孔边墩优化后进口流态Fig.6　Import flow regime after the table hole pier is optimized

2）表孔与底孔下游分隔墙加高10 m，左、右岸下游挡墙外侧坑洼处回填至挡墙顶泄水建筑物泄流时，隔墙加高处无横向流发生，在其下游稍有不太明显的横向流现象，如图7所示。泄水建筑物主流无侧流左右岸裹头水流现象，侧向回流消失。校核情况下，底孔泄流和整体泄流时左岸裹头无侧向流，右岸裹头下游为弯道凹岸，水面壅高，稍有壅高水流流向裹头。

3）下游河道疏浚

下游河道疏浚至坝下游300 m处，疏浚高程至590 m高程。泄水建筑物下游水跃位置下移，表孔下游水跃发生位置在闸墩墩尾处，底孔下游水跃发生位置在底孔闸墩尾部下游处，水跃下游水拱、二级水跃水流现象消失，泄水建筑物下游水流流态得到大大改善。由于下游河道疏浚，河床高程降低，泄水建筑物下游水跃位置下移，斜坡护坦段有较长急流段，斜坡上流速25 m/s左右；底孔闸墩尾部为方形高速水流在墩尾脱流线明显，下游水位较低时，底孔闸墩尾有水舌挑起［9-13］，如图8所示。

图7　加高后分隔墙及校核工况流态Fig.7　Flow regime after the flow guide wall raising and checking

图8　下游河道疏浚后流态Fig.8　Flow regime after downstream river-way is dredged

5　结论

通过吉布洛电站上游调蓄水库水工模型试验，模拟了该河段在不同水流条件下的水力运动规律，得出以下结论：

1）全开整体泄流时，设计洪水位下过流量Q= 6 625.89 m3/s，校核洪水位下过流量Q=6 837.6 m3/s，大于最大泄量Q=6 206 m3/s，过流能力满足设计要求。

2）表孔进口边墩体型提出了改进措施，改进后表孔进口边墩处绕流现象得到明显改善，泄流建筑物进流基本均衡。

3）泄流建筑物下游，水跃前最大流速25.11 m/s，水跃区裹头段最大流速小于23 m/s，跃后流速小于10 m/s，说明利用防冲护坦消能起到了消能作用，不会引起下游基岩河床冲刷。

4）表孔泄流下游与底孔泄流下游间分隔墙高度加高10 m，无横向流现象。

5）下游河道疏浚后流态得到了改善，下游水跃位置下移不会影响底孔闸墩处闸门，下游水拱、二级水跃、裹头上的侧向流消失。

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（编辑李沈）

Research on Hydraulic Model Test of Sluicing Structures of Upstream Storage Reservoir of Djiploho Hydropower Station

LI Ying1，2，TAO Yongxia1，2，LIU Ziqi3，LUO Quansheng1，2，LEI Heng1，2
（1.Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China；2.Engineering Technology Research Center of Small Watershed Conservancy of Universities of Henan Province，Kaifeng 475004，Henan，China；3.Yellow River Water Resources and Hydropower Development Corporation，Jiyuan 459017，Henan，China）

In view of the characteristics of Djiploho Hydropower Station's upstream storage reservoir such as the low spillway hole position，huge amount of the discharge and only scour apron（anti-impingement bedding）used as the energy dissipator，a normal integrated physical model is established by 1：40 geometric scale in this paper，and the spillway flow capacity，flow regime and flow velocity，and inlet and outlet sizes can be explored through the model test.The test finds that in the course of discharge，significant transverse flow of the downstream water into the the surface hole and obvious wrapped head flow of the mainstream and side stream on the left and right banks occur，and water jump arch and secondary water jump phenomena also occur.For this purpose，a scheme is proposed in this paper to optimize the inlet type of the side pier and dredge the downstream river-way and improve the flow pattern.The results show that the measures are effective，and the transverse flow disappears，the water arch and the hydraulic jump are eliminated，and the model of the paper can provide the basis for the engineering design and construction.

discharge structure；hydraulic model test；flow regime；flow velocity；Djiploho hydropower station

1674-3814（2016）07-0149-06

TV131.4

A

国家自然科学基金项目（U1304503）；河南省基础与前沿技术研究计划项目（132300410022）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（U1304503）；Basic and Advanced Technology Research Program of Henan Province（132300410022）.

2015-12-15。

李颖（1981—），女，讲师，研究方向为水利水电工程；

雷恒（1980—），男，副教授，研究方向为水工模型试验。