东风水电站泄洪洞泄流原型观测分析
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摘要：乌江东风水电站拦河大坝采用薄拱坝，泄洪洞采用斜鼻坎新型消能工，并伴有高速水流，故需通过原型观测来检验设计成果。本文通过对流态、时均压力及脉动压力等的原型观测成果分析，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。
关键词：原型观测 流态 时均压力及脉动压力 安全分析
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526.021m，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905.609～916.378m，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2240m³/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)
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
720
1.07
1/2
967.93
843.13
1284
107.0
1147
10.67
全开
967.71
844.72
1926
160.5
1743
9.50
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
85
29
240
967.93
843.13
原型
1/2
155
72
83
30
245
967.71
844.72
原型
全开
130
42
88
37
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。
4 消能工时均压力及脉动压力
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：①均方根值，表示脉动压力强度的特征值； ②功率谱密度函数，表示脉动压力随机过程的频率分布结构；③自相关函数，用来描述随机过程在时间域上的特性；④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）
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
730
90.68
104.21
78.33
3.75
7.35
9.68
0.90
4.14
1/2
967.93
1284
96.61
118.16
82.61
4.11
8.06
10.60
0.34
4.25
全开
967.71
1926
145.43
161.82
131.92
3.63
7.11
9.37
0.48
2.50
2#
1/4
968.08
730
72.01
90.53
57.79
4.18
8.19
10.78
1.06
5.80
1/2
967.93
1284
77.84
全开
967.71
1926
92.55
3#
1/4
968.08
730
51.35
68.60
39.60
3.40
6.66
8.77
0.72
6.62
1/2
967.93
1284
61.07
81.77
46.65
4.32
8.47
11.15
0.41
7.07
全开
967.71
1926
67.08
88.15
54.68
4.47
8.763
11.53
0.39
6.67