沥口水利枢纽工程水工模型试验研究

沥口水利枢纽工程水工模型试验研究张广传 王丽雯 赖冠文 练伟航（广东省水利水电科学研究院， 广州 510610）摘 要：通过对沥口水利枢纽工程水闸模型的试验研究，研究水闸的过流能力、枢纽上下游水流流态及流速分布、水闸消能工的消能效果、电站进出口的流速分布及水头损失以及电站发电对水闸运行的影响，提出合理安全的管理运行方式，为设计及审批提供科学参考依据。

关键词：过流能力 流态及流速分布 消能 水头损失1 概述沥口水利枢纽由泄洪水闸、电站、船闸等水工建筑物组成。

是一座以水力发电为主要任务，改善航运、灌溉、顾及东江中下游供水水量和水质等要求的三等中型水电枢纽工程。

坝址位于广东省河源市境内的东江干流上，是木京及新丰江水库下游的第二个梯级电站，距河源市区约43km ，枢纽控制的集雨面积为17124km 2，正常蓄水位为26.5m ，相应的库容为2740×104m 3，设计洪水流量为8938m 3/s ，相应的水位为29.72m ，校核流量为11000m 3/s ，相应的水位为30.73m 。

2 试验研究的内容及要求①研究水闸的过流能力；②研究水闸泄洪工况时，枢纽水工建筑物上、下游水流流态及流速分布；③研究水闸消能工的消能效果；④研究电站发电工况时，进、出口的流态、流速分布及水头损失；⑤研究最大通航流量工况，电站发电、水闸弃水工况对船闸运行的影响；⑥提出合理、安全的管理运行方式。

3 断面模型设计与制作3.1 模型范围沥口水利枢纽坝址所处的河段较为顺直，模型模拟的范围根据试验任务的要求，上游截取1.5km ，下游截取1.5km ，总长约3.0km ，尽量使得水流过闸流态满足水流相似的要求。

3.2 模型的设计根据试验研究的内容要求，以及模型试验要求满足相似性理论，本模型按重力相似准则设计为正态模型，按弗汝德（Froude ）数相似条件，考虑到试验场地及供水流量的限制条件选定模型的几何比尺100==h l λλ，由此得满足流态相似要求的各项比尺为：101==h V λλ10000025==h Q λλ1544.261==l n λλ1000≥ekp Rcm h m 5.1≥式中： λh —垂直比尺；λl —平面比尺；λv —流速比尺；λQ —流量比尺；R ekp —紊流；h m —水深。

3.3 模型的制作模型边墙采用灰砖浆砌，内侧用水泥批荡光面防渗，采用水冲密实河沙塑造地形，水泥抹光面。

水工建筑物采用杉木精制，石蜡抛光防止变形，基本满足河床及水工建筑物的糙率相似要求。

4 试验研究成果分析4.1 过流能力的试验计流量泄洪工况时，闸前水位为29.98m值30.0131.09m，比设计计算值31.11m过闸水流不够平顺。

导水墙由31.0m降低到27.0m高程；把电站上游导水Array墙作成梳水形导水墙，同时把船闸上游导航墙往右岸边缩进8.0m（推荐方案）进行比较。

试验表明，在设计流量和校核流量泄洪工况时，推荐方案闸前水位为29.92m和31.03m，较原设计方案降低0.05m和0.06m。

其方案布置见图1、2。

4.2 水闸泄洪工况流态及流速分布水闸泄洪工况分别进行了设计流量P＝3.33％、校核流量P＝1％、P＝10下游水流衔接较好，只是水闸的两边孔受电站上游导水图2 推荐方案枢纽平面布置图墙及船闸上游引航墙的影响，流速较其他闸孔小，特别是左岸电站一侧的闸孔出现负流，泄洪时，左侧闸孔易出现泥沙淤积，水流过闸边孔不够平顺，影响泄洪能力，需要进行修改。

泄洪工况水流未对电站，船闸的进、出口造成不利影响。

为了改善水闸边孔的流态，对原设计方案进行修改，把电站上游导水墙高程由31.0m降至27.0m，在22.0～26.0m之间做成透水式导墙，把船闸上引航导墙向右岸移8m。

试验表明，水流过闸时，左右两边孔的流态有明显的改善，左侧流速由负增大为正，过流能力也有所增大，流速分布相对均匀。

4.3 水闸消能防冲效果分析试验表明，由于水利枢纽的建设，水闸的泄流宽度较天然的河床缩小明显，使得水流过闸后流速明显增大。

闸门全开泄洪工况时，闸后的流速较大，如果不设消力池等消能工，水流明显会对河床产生冲刷。

如设消力池等底流消能工，虽然闸后流速较大，但由于消力池及海漫、防冲槽的作用，过闸水流不易对消能工产生破坏，水流出了防冲槽后，流速回复到天然河床的状态，随着流量的变化，达到新的冲淤平衡。

闸门在局部开启控泄工况时，只要按照一定的运行方式开启闸孔数和开度，水流均能产生比较稳定的淹没水跃。

如当上游来水流量为1500m3/s，电站满发930 m3/s，水闸弃水570 m3/s，此时，水闸需要开启1.0m开度的8孔水闸，无论是开启1～8孔水闸或开启12～19孔水闸，还是间隔开启2、4、6、8、12、14、16、18孔水闸，过闸水流经消力池的消能，出池时流速都较小，最大为0.95m/s。

同样，电站满负荷发电，突然甩负荷工况，水闸开闸弃水控泄，只要控制1～9孔和11～19孔0.5m开度和第10孔1.0m开度运行；或者控制9孔1.0m开度运行，（即2、4、6、8、10、12、14、16、18孔间隔开启或6～14孔集中开启），即使出现闸下游22.44m最低水位，闸下游的流速都在1.93m/s 以下，底流速就更小。

1台、2台机发电甩负荷，闸下游断面流速更小。

可见，设置消力池等消能工的工程布置方案，只要按照一定的运行规则开关闸门弃水或泄洪，水闸不会受水流的冲刷而产生破坏。

经修改后的消力池设计消能效果较好。

4.4 电站运行工况流速分布、流态及水头损失电站在4台机组满荷发电时，原设计方案电站前池进口断面的流速较大，特别是底流速在1.46～0.95m/s ，水流主要从左侧进入，使得电站前池内产生明显的顺时针的回流，在边孔还出现明显的凹陷涡。

电站的出口由于尾坎高程为19.5m ，下游河床高程在19.5～20.0m 以上，电站尾水受到尾坎及地形的顶托，流速达4.01m/s ，尾水位抬高1.67m ，严重影响电站出力。

为此，需对电站进出口进行修改。

上游电站导水墙由原来的31.0m 高程降低至27.0m ，实心导水墙修改为透水的导水墙，在电站前池进口加设一道拦沙坎，拦沙坎高程为22.5m ，电站流道前增加分水隔墩，防止涡流和回流的产生。

下游隔水墙由原来的30.8m 降低至25.0m ，电站出口反坡尾坎高程降至18.0m ，电站下游开挖一条底宽62.52m 的尾水渠，使得水流与下游水位平顺衔接，降低出口流速，避免电站尾水抬高，影响电站出力。

试验表明，修改后的电站布置在电站满发或者2台机、单机运行时，水流进出电站平顺，进口的回流及凹陷涡流消失，出口的流速迅速减小，4台机满发时，尾水位只抬高0.13m ，2台机发电时，电站尾水比下游水位降低0.08m 。

4.5 电站运行工况流速分布、流态及水头损失试验表明，水闸在10％泄洪工况时，船闸上引航道口门最大的流速为 1.91m/s ，一般都在1.48m/s 以下，随着流量的减小，口门区的流速迅速减小，流量为1940m 3/s 时，口门区最大流速只有1.11m/s ，闸门局部开启控泄时，口门区的流速都在0.65m/s 以内，没有发现有横向流速。

船闸下引航道口门区的流速明显小于上引航道口门区的流速，最大只有 1.20m/s 。

电站运行时，船闸上、下引航道水流平静，水流为静水，电站尾水也不会影响到下引航道口门。

船闸的上下引航道口门水流流态平顺，未见有产生泥沙淤积的回流区。

可见船闸的布置较合理，上下引航道设计为空心导航墙设计合理，不会受泄洪及电站运行的影响。

5 枢纽的管理运行 表1 闸门运行管理规则电站发电时，水闸全部关闭，控制上游正常蓄水位26.5m 运行。

电站满负荷发电时，遇突发事件，突然甩负荷，水闸需要开闸控泄弃水。

试验表明，4台机发电流量为930m 3/s 时，下游出现22.44m 低水位时，可以开启9孔水闸，开度为1.0m ，或者开启18孔水闸0.5m 、1孔水闸1.0m 弃水。

2台机发电突然甩负荷时，只要开启9孔水闸，开度为0.5m 弃水。

单机发电突然甩负荷时，只需开启4孔水闸，开度为0.5m 弃水，即可满足安全的运行要求。

如果水闸遇洪水需要泄洪时，水闸在流量为1940m 3/s 以下按如下的运行规定开启水闸孔数和开度。

流量大于1940m 3/s 时，闸门全开泄洪，见表1。

6 上游水面线变化的讨论6.1 闸上游水面线变化枢纽上游的水面线、工程前后的变化除与泄水水闸的过流宽度有关外，与河道的形状变化有密切的关系。

试验表明，在正常蓄水位时，测得上游水面线与可研报告中计算的水面线较接近。

在洪水泄洪时，由于泄水宽度与天然河床宽度的比例约为0.51，因此，闸前140m 断面的水位由于水流收缩，流速增大，水位可满足设计（计算）要求。

6.2 不同闸孔规模水闸上下游水面线变化流量（m 3/s ）下游水位（m ）开度（m ） 开闸孔数≤550 ＜22.44 0.3 1～19 550～950 22.44～23.310.5 11～19950～1450 23.31～23.87 1.0 11～171450～170023.87～24.36 1.5 12～14 1700～200024.36～24.77 2.0 11～13 ＞2000 ＞24.77 全开 19由于上游水位变化，在闸上400m以上水位抬高明显，为了研究其闸上400m以上水位的变化规律，试验分别研究21孔、23孔、25孔泄洪情况对应的水面线变化。

试验表明，在设计校核流量工况泄洪，泄洪闸孔数达25孔时，闸上游400m以上的水位变化在0.01m，23孔泄洪闸上游400m以上水位变化在0.03m和0.01m，21孔泄洪水闸上游400m以上水位变化在0.04m，可见，若取闸上游400m作为闸上水位，而400m以上水位为自然水面，则水闸的孔数为23孔时，闸上下游水位差为0.31m和0.38m。

6.3 上下游水利枢纽泄洪规模比较沥口水利枢纽泄洪闸规模与上游的木京与下游的剑潭泄洪闸比较见表2，上游的木京泄洪闸的净宽为289m，水位差为0.21m，沥口泄洪闸的净宽为266m，水位差为0.22m，下游的剑潭泄洪闸净宽为336m，水位差为0.13m。

综上讨论分析，沥口水利枢纽处在河道较宽的河段上布置，水闸过水宽度收缩明显，对上游水位的影响敏感，建议对闸上水面线进行推算，找出枢纽建设后，闸上水位变化的规律，及水位壅高值沿河道上游的尖没点位置，进一步确定水闸的规模。

表2 泄洪规模比较名称设计流量(m3/s) 闸上水头(m)闸宽(m) 闸孔(孔)淹没水深(m) △Z(m) 木京 6670 8.31 17m×17孔＝289m 17 8.1 0.21 沥口 8938 9.73 14m×19孔＝266m 19 9.51 0.22 剑潭 10910 11.89 14m×24孔＝336m 24 11.12 0.137 结论及建议7.1沥口水利枢纽原设计的泄洪闸、船闸及电站的平面布置基本合理，只是电站、船闸上游导水墙在泄洪工况的水闸局部流态不十分理想，经试验修改后推荐的枢纽布置方案克服了局部的不良流态，过闸水流上下游平顺衔接。