・２５４・ 工程科技 扎古录水电站首部枢纽泄水建筑物设计优化及模型试验研究 张飞峰 －（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院工科分院，陕西西安７１００４３） 摘要：扎古录水电站通过整体水工模型试验，验证泄水建筑物的总体布置、泄流能力、排沙效果等，提出了具体的工程优化措施，节 约了投资，为其他类４￣ｔｘ－程的设计提供参考。 ． 关键词：泄水建筑物；泄流消能；ｋＬ古录水电站 １工程概况 扎古录水电站位于甘肃省卓尼县境内洮河中游干流上，是洮河②收缩水深的共轭水 深计算：… 表１泄水建筑物泄流能力计算结果表 ｏ￣－ｇ 标准 上口｝水位ｍ 下讲水位ｔ ７∞ １３３０ 准ｉ｝Ｉ闸口亍世洪冲沙闸ｑ １２０（局 开） １４８（垒 开） 理论泄■ 合计 施 标准 ＜ｄ／ｓ） ９１８ １盯ｅ ０ ０ ／ｓ 古城以上河段第１３个梯级开发的水电工程。首部枢纽距厂房约 １２．３ｋｍ，工程区沿洮河左右岸均有乡级公路通过，省级江——果公 ＾・：一ｈｏｌ ｆ１＋８盟－１ｌ 【Ｖ Ｊ 设计洪水（Ｐ＝８呻 ２７２３．Ｏ ２７１６ ６ 校核琳水（Ｐ＝㈣２７∞０ ２７１７ ４ ０ ５ 路从厂房下游约２００ｍ处的麻路镇通过，厂房距卓尼县城４０ｋｉｎ，交 式中：ｑ —收缩断面 通条件便利。 处的单宽流量【ｍ ・ｍ）】； 扎古录水电站首部枢纽由泄洪闸、泄洪冲沙闸、右岸进水口及 嚏—下游水深㈤； 左岸挡水坝组成，引水发电系统由右岸取水口、引水明渠、低压引水 —水流动能校正 隧洞、调压井、压力管道、电站主副厂房及开关站等建筑物组成。工系数，取ｌ－０。 程的主要任务为发电 水库正常蓄水位２７２０．００ｍ，最大坝高１１．５ｍ， ③出池落差计算： 为径流式电站。坝顶高程２７２１．５０ｍ，首部枢纽平面布置见图１。坝 一址处多年平均流量６２．９ｍ３，ｓ，发电引用流量为１００ｍＳ／ｓ，电站发电水 ｇ（ ｒ ２ｇ（ 头３１．５ｍ，装机容量２７ＭＷ。工程规模为Ⅳ等小（１）型，主要建筑物级 式中：△ｚ一出池落差 别为４级，次要建筑物及临时建筑物为５级，坝址区地震基本烈度㈣； 表２消力池计算结果汇总 项目— ｝ 滩 池耀 虬７ ｎ８ 撇 池长∞ ２１ｍ 水匣∞ 雠 ｈ 为Ⅶ度。 泄水排沙建筑物按２０年一遇洪水设计（Ｑ＝９１７ｍＳ／ｓ），１００年一ｑ一出池处的 单宽流量Ｉｍｌ３／（ｓ・ｍ）】； 遇洪水校核（Ｑ＝１４３０ｍＳ／ｓ）；泄水建筑物下游消能及防护工程按２０ 一出池河床 年一遇洪水设计（Ｑ＝９１７ｍ３／ｓ）。 水深㈤。 ２工程原设计方案④消力池深度计算： 首部枢纽泄水建筑物布置根据安全宣泄设计和校核洪水，方便 一 一△ 排沙，并可能使发电引水渠进水口前门前清，建筑工程量小等原则， 。 —水跃淹没系数，可 结合河流的泥沙特点，尽可能利用原河道输送推移质泥沙，确定采采取１．０５—１．１０。 用平底泄洪闸和泄洪冲沙闸，消能形式为底流消能。⑤消力池长度计算： 扎古录水电站主要泄水建筑物为泄洪闸和泄洪冲沙闸，泄洪闸 水跃长度按下式计算： 共５孔，每孔孔口尺寸９ｍＸ ７ｍ（宽Ｘ高）。泄洪冲沙闸仅１孔，紧靠 Ｌ＝＆ ｃ”一ｈｅ） 泄洪闸右侧布置，孔口尺寸为５ｍＸ ７ｍ（宽×高）。 式中：Ｌｉ水跃长度，ｍ； ２．１原设计方案泄流能力计算 消力池长度按下式计 泄洪闸和泄洪冲沙闸为开敞式平底闸，在设计和校核洪水工况算： 图１首部枢纽平面布置见图 Ｈ 图２原设计方案泄洪闸剖面图 下均为堰流，其计算公式采用《水闸设计规范｝（ＳＬ２６５—２００１）附录Ａ 推荐公式： ； Ｑ＝ａｅｍＢｏｘ［￣Ｈｉ Ｌｉ＝ｋ＋１３ Ｌｉ 式中：Ｌ —消力池 －￣ｌｆｍ： ．．Ｉ —诮力池斜坡段 式中：Ｑ一流量ｍＳ／ｓ； 投影长度，ｍ； 图３优化设计方案泄洪闸剖面图 Ｂ 一闸孔总净宽ｍ； １３——水跃长度校正 Ｈ一堰上水头ｍ； 系数，采用０．７０； ｍ一流量系数，ｍ＝０．３８５； Ｂ 一闸孑Ｌ净宽； ⑥消力池底板厚度计算 参加泄洪的有５孔泄洪闸和１孔泄洪冲沙闸，其泄流计算结果 根据抗冲要求，消力池底板厚度按下式计算： 见表１。 一ｊ兰 Ｃ—ｑ，／￣－— 由表１可看出本工程泄水建筑物在各种工况下满足泄流能力 要求。 ２．２消能防冲设计 闸体建在覆盖层上，若采用挑流消能，挑距离坝体较近，影响坝 体安全，故本工程采用底流消能。从节省工程量的角度出发，采用消 力池进行消能比较经济，所以本工程考虑采用消力池进行消能。 根据抗浮要求，消力池底板厚度按下式计算： △ ６ 采用《水闸设计规范＞＞ＳＬ２６５—２００１附录Ｂ推荐公式： ①收缩水深计算： 一 ＋ ＝！— 一 ＋＿二一０ 式中： 。一收缩水深（ｍ）； 总势能（ｍ）； ｑ一过闸单宽流量［ｍ３／（ｓ・Ｉｎ）］；， 水流动能校正系数，取１．０； 流速系数，采用０．８。 一一式中：ｔ＿＿—消力池底板厚度，ｍ； Ｈ，——泄水时的上下游水位差，ｍ； ｋ广—诮力池底板计算系数，采用０．１７５； ｋ ——消力池底板安全系数，采用１．２； ｌ『－—－作用在消力池底板地面的扬压力（ｋＰａ）； ｗ——作用在消力池底板顶面的水重 Ｐａ）； Ｐ —作用在消力池底板地面的脉动压力ｏ（Ｐａ）； 。＿—作用在消力池底板的饱和重度（ｋＮ／ｍ￣）； 消力池底板厚度根据抗冲和抗浮要求计算，并取大值。 ⑦海漫长度计算印： 式中：Ｉ．。－—海漫长度，ｍ； （下转２１页） 科技论坛 表１仿真输入参数 参数名称 执行轴半径 采样点数 统计转数 采样频率 ・２１・ ３数据检测与分析 应用数理统计方法进行数据分离进行机床主轴回转误差的仿 真测量与分析，在检测界面上通过直观的仿真曲线图来观察这种方 法的可靠性。仿真设置参数见表１，输入的原始值和仿真结果值如 表２所示，仿真分析结果曲线如图５和图６所示。 观察误差分离仿真图可以看到主轴回转运动轨迹与给定输入 的主轴回转运动轨迹基本吻合。测量得到的主轴回转误差值均在主 表２误差分离前后比较 轴工作状态回转精度标准范围内。由仿真结果可以看到，用数理统 塑 壁堕 墨堕 竺 塑里堑 茎堡垫 壁 墨垫 计进行误差分离后得到的回转误差的平均值为０．０３ ｍ；误差分离 ５ ４ ８５ ｌ ０ ９７ 后的主轴形状误差的平均值与原始形状误差值相差０．１５ ｍ。由此 应用数理统计方法对主轴回转误差测量原理及误差分离方法，将原 可见这种分离方法能够有效地分离主轴的形状误差和回转误差，能 来传感器硬件采集的回转数据通过给定输入计算并处理来实现，做 够满足主轴回转精度检测的要求。 到了采集数据的仿真，其余的测量过程与实际测量完全一致，仿真 结束语 与实测原理如图４所示。 烹一直个 统数 根据仿真系统的建立及利用此系统进行的主轴回转精度的检 仿真测量的方法是将输入的两组原始数据经过数理统计误差 测结果表明，本检测系统能够准确的检测主轴的回转误差，证明了 分离方法计算得到回转误差数据和形状误差数据，将得到的两组数 它的可靠性。对于类似的主轴性能检测提供了方便、有效的方法。同 据与原始输入的仿真数据分别进行比较，就可以观察到这种误差分 时加强了学生对教学内容与实际生产环节联系的认识，更直观地体 离技术的效果。 现理论联系实际。也为机械系统其它性能的检测提供了理论基础。 仿真部分软件还是在基于ＬａｂＶＩＥＷ的编写的检测系统软件的 参考文献 基础上进行的。这里需要定义原始数据输入，在ＬａｂＶＩＥＷ中可以通 ［１】陈益民．金属切削机床刚度的测试及提高刚度的措施［Ｊ】．漳州职业 过定义两个数组来完成这部分内容，并且将两个数组分别放到一个 大学报，１９９９，（３）：１—３． 文件中【４Ｉ。然后通过计算机数据处理模块来对传感器采集的数据进 【２］崔正刚．基于ＬａｂＶＩＥＷ的曲线拟合技术的实现【Ｊ】．仪表技术，２００６． 行计算。数据处理部分将传感器数据计算结果表示为每个传感器位 北京：清华大学出版社，２００５． 置的位移变列，通过数理统计算法分离出主轴形状误差数据和回转 ［３］李岩，花国梁．精密测量技术［Ｍ】．北京：中国计量出版杜，２００９． 误差数据，然后进行对分离出的主轴形状误差数据和回转误差数据 ［４］阐光萍．超精密空气主轴回转精度的测量与数据处理［Ｊ］．航空精密 进行评定计算。 制造技术．２００１． （上接２５４页） ｑｒ＿— 肖力池末端单宽流量，ｍ ｍ）； 取ｆ肖了消力池中淄洪闸与冲沙闸之间的隔墙。 ｋ＿—海漫长度计算系数，取ｋｓ＝１Ｏ； ５．２泄洪闸及泄洪冲沙闸均兼有将库区淤积的泥沙排向下游的作 ２３计算结果 用，为减小拉沙时消力池内的泥沙淤积，避免泥沙磨损消力池底板，将消 消力池计算结果见表２。 力池的尾坎由连续坎变为差动坎。 因此，根据理论计算结果，原 十方案： ５３由于消力池出口流速较大，右岸靠近消力池末端的最大冲深为 泄水建筑物由泄洪闸和泄洪冲沙闸组成，泄洪闸共５孔，每－ｆＬ：ｆ：Ｌ口 ６．７ｍ，对消力池出口齿墙的稳定不利，为此，在消力池末端铺设深６５ｍ， 尺寸９ｍＸ７ｍ（宽Ｘ高）。泄洪冲沙闸仅１孔，紧靠泄洪闸右侧布置，孔口 沿河道方向长７５ｍ，直径约为１．０ｍ的块石防护体。 尺寸为５ｍＸ７ｍ（宽Ｘ高）。 ５．４为节约工程投资，取消了长度４８ｍ的钢筋笼海漫。 闸室下游消力池长２１ｍ，池深ｌｍ，后接钢筋笼海漫长度４８ｍ。 优化后的泄水建筑物设计方案见图３。 原设计方案泄洪闸剖面见图２。 ６优化设计方案的试验成果分析 ３原设计方案的水工模型试验结论 试验表明：优化设计方案泄洪闸及泄洪冲沙闸闸室段水面较平Ｊ顷， 通过整体水工模型试验，测定泄水建筑物的泄流能力能否满足设计 消力池内水面波动较小，出池水流与下游河道水流平Ｊｆ顷连接，无水面跌 要求；论证各泄水建筑物体型的合理性；结合下游的冲刷结果，提出合理 落。消力池出口河道水流平顺，岸边无回流。冲沙闸开度较小时，沿程流 可行的消能防冲措施。 速不大，下游河道两岸流速较小，下游河道流态良好。 原设计方案模型试验结论：当５孔泄洪闸及冲沙闸全开，库水位为 当泄量较大时（接近校核洪水标准），下游河道水深较大，但总体冲 ２７２０．０ｍ时，试验总下泄流量为１５３１．Ｏｍ３／ｓ，校核洪水标准为１４３０ｍ３／ｓ， 刷不大，左岸最低高程为２７０７．１ｍ，以消力池底板高程２７１２．０ｍ计算，最 试验值比校核洪水标准值大７．０６％，因此泄流能力满足设计要求。 大冲深４．９ｍ，位于坝下０＋０７２．０ｍ附近。右岸基本不冲，河中最低高程为 泄洪闸、泄洪冲沙闸进 Ｉ劂历，但是下游消力池水位与下游河道水 ２７１０．４ｍ，河中最大淤积高程为２７１２．８ｍ，最大冲淤变差５．７ｍ。 位相差较小，消力池后水面无跌落，消力池内水面波动较小，且由于消力 优化设计方案消力池内能形成水跃，下游河床冲刷明显改善，达到 池长度及深度不够，没有形成水跃，所以消能不够充分。 了效能防冲的目的，同时有利于排沙。 ４原设计方案存在的主要问题 结束语 根据模型试验结论分析，原方案存在的主要问题是：由于消力池的 通过此次水工模型试验研究，提前发现了原设汁方案中的缺陷，采 底板高程偏高，池长偏短，消力池没有形成水跃，导致下游河道冲深较 取各项优化措施。较好的解决了泄水时闸室下游消能防冲问题和泥沙淤 大，没有很好起到消能防冲的作用。 积问题，可以有效地保证电站正常发电。同时，取消了钢筋笼海漫，减少 ５泄水建筑物优化措施 了工程量，节约了投资。对其他类似工程的设计具有一定的借鉴意义。 泄洪闸及泄洪冲沙闸消力池的修改原则：消力池内消能尽量充分， 参考文献 出池水流与下游河道水流平顺连接，以减小下游河道的冲刷。另外，洮河 『１］陈宝华，张世儒．水闸设计『Ｍ１．北京：中国水利水电出版社，２００３． 扎古录段是多泥沙河流，消力池体型必须有利于消力池内泥沙排向下游 ｆ２】黄志文．苏立群，邬年华．峡江水利枢纽水工、泥沙整体模型试验研 河道。 究，泄水工程与高速水流，２０１０． 针对原没计方案存在的问题，主要进行了如下优化措施： 作者介绍：张飞峰（１９７９一），男，陕西西安人，本科毕业。工程师， ５．１为使消力池内形成完整的水跃，提高消力池内水流的消能率，在 现从事中小型水电站的设计工作 原设汁方案的基础上，将消力池的长度延长２．５ｍ，底板高程降低０５ｍ，
