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 λλ

10000025==h Q λλ

1544.261==l n λλ

1000≥ekp R

cm 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30.01

31.09m，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2

2.5m ，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 11～19

950～1450 23.31～23.87 1.0 11～17

1450～170023.87～24.36 1.5 12～14 1700～200024.36～24.77 2.0 11～13 ＞2000 ＞24.77 全开 19