水电站导流泄洪洞设计方案研究

导流泄洪洞在水利工程中应用十分广泛，其体型的优化设计就显得尤为重要。 文章以辽宁省丹东爱河梯级开发中的梨树园子水电站为例，利用水工模型试验的方法对该电站的导流泄洪洞进行设计优化。 结果显示，优化设计方案满足设计要求。

1工程背景
梨树园子水电站属于爱河梯级开发第五级水电站，坝址位于辽宁丹东凤城市石城镇梨树园子村西的爱河上游干流上，是一座以发电为主的小型径流式水电站。 该电站的装机总容量为22400kW，设计库容1800万m3，工程的设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。 梨树园子水电站项目所在地区属于长白山系，从地层岩性来看，基底埋藏较深，沉积盖层主要为第三系地层，由海相碳酸盐和浅海、滨海碎屑岩构成。 水电站主要由混凝土重力坝、溢流坝、导流泄洪洞、引水系统和电站厂房构成。 其中，导流泄洪洞设计于大坝右岸的岩体中，在大坝建设期间承担导流施工任务，在水库运行期承担泄洪和放空任务。 导流泄洪洞由引水渠段、事故闸井段、有压洞段、出口泄槽及陡坡扩散段以及出口消能段构成。 在施工期的最大导流流量为183m3/s，在水电站运行期间的设计洪水流量为360.13m3/s，校核洪水流量为367.78m3/s。 其中，出口泄槽段宽5.0m、高5.5m，纵坡坡度为0.02，通过抛物线结构与消力池连接，宽度也渐变为12.0m，底板高程由229.490m渐变为210.911m； 出口消能段的消力池为带支撑杆的U型结构，长55.0m、宽12.0m、深5.2m，边墙高度设计为11.2m。

2试验模型设计
2.1模拟范围。 根据研究需要和工程现状，此次模型试验的模拟范围坝轴线以上180.0m，包括导流泄洪洞的进口上游，下游取到坝轴线以下700m的河道部位，模型的总长度为880m[1]。 结合运行期间的最高库水位以及最高尾水位，上下游的模型边界高程分别设定为291.0m与273.0m。 2.2模型设计。 此次研究不仅要完成导流泄洪洞的整体模型试验，还要进行局部流态研究，考虑试验场地因素和SL155—95《水工（常规)模型试验规程》的规定，模型采用的几何比尺为50[2]。 根据设计提供的糙率比尺，其与有机玻璃的糙率基本一致，故模型采用有机玻璃板制作，高程误差小于2mm，平面误差小于10mm[3]。 水位监测采用DJ800型多功能监测系统； 断面流速分布采用DJ800型多功能监测系统和毕托管联合监测测量； 底板压强采用DJ800型多功能监测系统的压力探头测量； 水流流态采用高倍像素相机拍摄[4]。 2.3试验工况。 由于水电站运行期导流洞的泄洪流量远大于导流流量，因此，研究中仅对水电站运行期进行模型试验，根据模型试验的基本要求和相关研究成果[5，6]，研究中选取校核洪水、设计洪水和20年一遇洪水3种工况，其具体参数如表1所示。

3原始设计方案试验结果分析
3.1泄流能力分析。 利用模型试验对水电站度汛期的库水位和导流泄洪洞的泄流流量进行量测。 结果显示，导流泄洪洞全开时泄流能力的实验值大于设计值，不同库水位条件下的偏差率在1.87%～5.11%之间。 因此，导流泄洪洞的泄流能力完全可以满足设计要求[7]。 3.2水流流态分析。 通过模型试验，在工况1条件下，在导流洞的隧洞段水流表现为平稳流动，以波浪式前进； 随着库水位的逐步升高，水流逐步接触洞顶，从而表现为压力流，且进口处存在间歇式漩涡，但不贯通，在水位进一步升高时，漩涡逐步消失。 在消力池段，随着库水位的逐步升高，水流逐渐翻出消力池的边墙，并且在消力池与陡坡的连接部位出现远驱水跃，说明消力池的深度较小，边墙高度较低。 3.3水力参数分析。 利用模型试验，对不同工况下的最大水面线进行统计，结果显示： 明渠段的最大实测水深为3.78m，小于该段的边墙高度5.50m； 扩散段的最大实测水深为2.89m，小于该段边墙的高度（4.50m）； 消力池内的最大实测水深为11.54m，大于该段边墙（11.2m）的设计高度。 因此，消力池的深度和长度不能满足要求，需要进一步优化； 消力池坎顶退水渠段的实测最大水深为6.12m，大于该段6.0m的边墙设计高度，水流翻出墙外。 对导流洞沿程压强的最大值和最小值进行量测统计，结果显示，各工况下的导流洞底板压强均为正值且较大，分布也比较合理，不易产生空化水流，可以满足设计要求。 对导流洞沿程流速的最大值进行量测统计，结果显示，各工况下的导流洞各段的流速均未超过相应的规范要求，流速分布也比较合理。

4优化设计方案与实验研究
4.1优化设计方案。 针对导流泄洪洞原设计方案在模型试验中暴露出的问题，结合相关工程经验[8]，拟对原设计方案进行修改： 将消力池的底板降低2.3m，同时将边墙高度增加2.8m，长度增加5.2m； 将陡坡上的抛物线变缓，其方程设计为y=0.02x＋0.005497x2，将消力池坎顶退水渠段边墙加高至6.5m。 4.2优化设计方案的水流流态分析。 优化设计方案的导流泄洪洞工作闸室段的水流流态与原设计方案基本相同，当水流进入下游明渠段时受到闸室段的扩散影响，水面产生跌落，并在明渠段以折冲水流的形态向前流动； 在抛物线段，由于教原设计方案坡度变缓，水流在两边的高度基本一致，同时流态平稳，可以比较均匀地进入消力池。 在工况1条件下，水流在进入消力池后呈现淹没水跃，随着库水位的逐渐升高，淹没水跃的跃首逐渐后移。 在工况1条件下，消力池的水跃跃首在桩号0+364.50~0+366.47之间波动； 在工况2条件下，导流泄洪洞消力池的水跃跃首在桩号0+361.19~0+364.50之间波动； 在工况3条件下，导流泄洪洞消力池的水跃跃首在桩号0+361.18~0+357.43之间波动。 由此可见，消力池的设计深度和长度均可以满足导流泄洪洞的实际工作需求。 在水流流出消力池后，以水面跌落的方式进入联合退水渠，水流在进行扩散的同时冲击左边墙，由于联合退水渠与消力池下游退水渠的方向一致，因此水流折冲现象较弱，之后在联合退水渠口再产生水面跌落后进入下游河道，由于下游河道较为宽阔，因此水流状态十分平稳。 4.3优化设计方案水力参数分析。 4.3.1沿程水面线分析。 在对优化方案进行模型试验过程中，对不同工况下的导流泄洪洞洞身出口后的沿程水面线高度最大值进行量测，结果如表2所示。 由计算结果可知，在经过对原设计方案的优化之后，导流泄洪洞出口以后沿程各部分的最大水深均低于该部位边墙高度，可以满足不同工况下的泄流要求。 4.3.2壁面压强分析。 对不同工况下导流泄洪洞抛物线以下各段的底板压强进行量测统计，结果如表3所示。 由表3的数据可知，导流泄洪洞的抛物线段在3种工况下均不容易产生空化现象，说明该段底部曲线设计比较合理； 消力池段以及退水渠段的底板压强均为正值，并且压强数值的变化比较平缓，且分布合理。 4.3.3沿程流速分布分析。 对不同工况下导流泄洪洞抛物线及以下各段的沿程流速进行量测统计，结果如表4所示。 由表4的数据可知，导流泄洪洞的水流流速沿程变化较大，且分布比较合理。 同时，在3种工况下，导流泄洪洞洞身段出口后流速值未超过30m/s，因此认为在各种不同工况下不会对建筑物本身造成空蚀破坏。

5结语
水利水电工程的导流泄洪洞对保证大坝安全建设以及工程建成后的安全运行具有重要作用。 辽宁省丹东爱河梯级开发中的梨树园子水电站，利用水工模型试验的方法对该电站的导流泄洪洞展开分析和优化设计。 模型试验显示，原设计方案存在消力池深度不足、长度过小以及边墙高度过低等问题。 优化设计方案在增加消力池深度、长度和边墙高度的同时，还减小了抛物线曲率，一方面可以保证在消力池内产生淹没水跃； 另一方面可以改善水流流态，提高底板压强，避免空蚀破坏的产生。 因此，优化设计方案完全满足设计要求，推荐在工程设计中采用。