卡卡电站施工导流水工模型试验研究

卡卡电站施工导流水工模型试验研究

高得力

中国葛洲坝集团第六工程有限公司云南昆明650000

摘要：通过1:100施工导流水工整体模型，测试了导流洞运行相关的水力学指标。结合泄流流态、泄流能力、导流洞压力特性和出口下游河道流速等，进行了综合分析比较。研究表明，泄流能力满足设计要求，但洞身段陡坡改为缓坡，流态变化更为稳定清晰。

关键词：导流洞；流态；明满流交替；压力分布；流速

1概述及模型设计

宽扎河（Kwanza）位于安哥拉中北部，卡卡水电站是宽扎河中段规划的8个梯级电站中的第3级，枢纽布置为主坝布置在主河床，最大坝高103m，设5个表孔和2个底孔泄洪；左岸地下厂房布置4台530MW的发电机组，坝后左岸布置1台52WM的生态发电机组。

施工导流采用一次拦断河床、围堰全年挡水、导流隧洞泄流的导流方式。导流建筑物由布置在右岸的两条导流隧洞及河床上、下游土石围堰等临时建筑物组成，详见图1。导流隧洞设计最大洪水流量为3400m3/s。

图1施工导流平面布置图

模型按重力相似准则设计为正态模型，比尺为1:100。模型上游长500m，高0.85m，下游长8.35m，高0.85m，相当于原型上游长0.5km，下游长0.835km。模型上游地形最高高程为560m，下游地形最高高程为550m。

河道地形采用等高线法制作，采用水泥砂浆抹面。模型导流洞进口段采用光面有机玻璃制作，马蹄形洞身段采用刻槽间距2.4mm、槽深1.0mm的加糙有机玻璃制作。上、下游围堰、导流洞进口和出口明渠及边坡均采用水泥砂浆抹面制作。模型制作和安装精度符合《水工（常规）模型试验规程》SL155-2012的要求。

模型流量采用电磁流量计量测，水位采用测针量测，时均压力采用测压管量测，流速采用旋桨流速仪量测，所使用的测量仪器均经检定合格并在有效期内。

2试验测试内容

测试导流洞的流态、泄流能力、压力特性和出口下游及河道流速分布。

3试验成果

3.1进口及洞身流态

（1）上游引渠与进水前池流态

上游引渠与进水前池流态参见照片1，各级流量下引渠左侧山体处存在较强的绕流现象，明渠内水流分布不均，呈左少右多状，随着来流量的增大，绕流现象加强。

Q≤2004m3/s时，上游引渠与导流洞进水前池之间水面跌落明显，进水前池内水流翻滚，水面波动较大，两条导流洞均呈明流；2004m3/s<Q<2472m3/s时，上游引渠与进水前池间的水面落差逐渐减小，进水前池整流作用减弱，池内水流均匀性变差，主流偏右行进，此流量区间内两导流洞进口仍呈明流，1#导流洞（右侧）分流略大于2#导流洞（左侧）；2472m3/s≤Q<3400m3/s时，前池内主流偏向行进一步加强，两条导流洞进口均呈满流，1#导流洞分流量大于2#导流洞。

Q=3249～3400m3/s时，2#导流洞进口处左侧出现稳定吸气漏斗漩涡（参见照片2），观察到该洞存在持续进气现象。

照片22#导流洞进口处漩涡流态

（2）导流洞洞身流态

各级流量下1#、2#导流洞各部位流态参见表5.1~表5.2与照片3～5。

照片5导流洞内满流—明流—明满交替流的流态（Q=3249m3/s）

（3）流态分析

导流洞洞身段底坡在各级流量下均为陡坡，水流在进口段末端收缩后进入洞身段，在洞身段形成陡坡壅水曲线，这是导流洞形成明满流交替并存流态的主要原因。

Q=2472～3406m3/s时，导流洞进口段为压力流，出口段为明满交替流或压力流，中间段为明流，此段顶部压力不稳定，不利于导流洞的安全稳定运行。

3.2泄流能力

导流洞闸门井通气条件下，在Q=651~3406m3/s流量区间，观测了1#、2#两条导流洞联合泄流的泄流能力，试验成果详见表3和图2。根据上游来流量由图3.1查得对应的下游水位，模型上控制下游水位和来流量，读取上游水位。

设计最大洪水流量Q=3400m3/s时，上游水位为549.32m，比上游围堰顶高程低4.68m。

从上述流态分析可知，进口段为导流洞泄流能力的控制段。

导流洞的泄流能力满足设计要求。

表31#和2#导流洞联合泄流能力

图3压力测点布置图

（1）洞顶压力

洞内存在明满流并存或明满流交替流态时，局部洞顶间断性脱空，导致测压管内易于进气，压力值难以准确量测，仅在进口段为稳定压力流的工况下对其进行了压力进行测量。

Q=3400m3/s和Q=2840m3/s两级流量下，1#导流洞进口喇叭口段最大负压为-1.5×9.81kPa，2#导流洞进口喇叭口段最大负压为-2.59×9.81kPa，因该处水流流速不大，发生空化空蚀的可能性不大。

（2）洞底压力

1#导流洞底压力均为正压，压力分布正常，其值随流量增大而增大。马蹄形洞身段除堵头段外，洞底压力沿程增大，出口末端洞底压力最大。

2#导流洞底压力均为正压，压力分布正常。堵头段下游至洞出口，洞底压力沿程增大，出口末端洞底压力最大。

（4）进口喇叭口段分流墩右侧壁压力

Q=3400、2840、2000m3/s时，进口喇叭口段分流墩右侧壁压力均为正压，压力分布正常，其值随流量增大而增大。

3.4出口流态

各级流量下导流洞出口均为自由出流，设计流量下下游围堰迎水面水面最高高程为540.83m，比围堰堰顶高程低2.17m。

在设计最大洪水流量Q=3400m3/s（全年P=4%瞬时洪水）时，两条导流洞出流于1:4反坡末端汇合后经下游明渠斜向进入下游河道。下游围堰及其下游左侧近岸区域形成逆时针回流，围堰处回流流速小于1m/s。水流出下游明渠后，受左侧回流挤压，主流偏中右侧进入下游河道，未见其明显顶冲左岸流态（见照片6）。导流洞出口下游500m处，水流基本顺河道中部深槽下行。

其它流量下，导流洞出口明渠及下游河道内的流态与设计工况基本一致。

3.5出口下游流速分布

三级流量下，导流洞出口及下游河道的流速随流量的增大而增大。导流洞出口1:4反坡末端最大流速为6.02～8.07m/s；出口下游123m断面（下游明渠尾部）右侧岸坡处流速为6.08～8.87m/s；出口下游212m河道右侧近岸流速为6.75～9.98m/s。下游河道左岸近岸最大流速为5.75m。

4结论

随着上游来流量的增大，两条导流洞依次出现明流、明流－满流、明流－明满交替流、满流－明流－明满交替流的流态，其中1#导流洞在设计流量附近还存在以及满流－明流－满流的流态。Q=2472～3406m3/s时，导流洞中间明流段上部压力不稳定，不利于导流洞的安全稳定运行。

经研究将洞身段陡坡改为缓坡，并进行模型试验，确认洞身流态依次为明流、半有压流和满流，流态变化稳定清晰。

（2）两导流洞联合泄流设计最大洪水流量Q=3400m3/s（全年P=4%最大瞬时洪水）时，上游水位为549.32m，比上游围堰顶高程低4.68m，泄流能力满足设计要求。

（3）导流洞各部位压力分布正常。1#和2#导流洞喇叭口段顶部存在负压，1#洞喇叭口段最大负压为-1.5×9.81kPa，2#洞喇叭口段最大负压为-2.59×9.81kPa，发生空化空蚀的可能性不大。

（4）导流洞出口下游未见水流直接顶冲左岸现象。出口明渠尾部右侧岸坡及其下游近岸流速较大。

参考文献

[1]长江科学院安哥拉卡卡水电站施工导流水工整体模型试验成果报告2017.