黃 勇，黃玉曉，孫曉平

(1.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080;2.南陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，南陽474350)

1 工程概況

擬建林海水庫設(shè)計(jì)洪水位509.43 m，校核水位為510.40 m，正常蓄水位509.00 m，死水位為484.00 m，泥沙淤積高程為460.87 m，考慮泥沙淤積、導(dǎo)流及放空等要求，進(jìn)水口放空孔口底高程確定為476.00 m，導(dǎo)流孔口底板高程為451.00 m。消能按永久工程放空洞工況設(shè)計(jì)，采用底流消能，放空時(shí)閘門全開，溢洪道堰頂高程493.00 m，放空洞與電站機(jī)組同時(shí)泄放。

設(shè)計(jì)的林海水庫放空洞結(jié)構(gòu)布置分為進(jìn)口段、導(dǎo)流放空洞和出口段。

進(jìn)口段包括進(jìn)口引渠和閘室段，其中閘室段(0－018～0+000)長18 m，包括進(jìn)口收縮段、封堵后的上半部分導(dǎo)流閘、導(dǎo)流閘至檢修閘收縮段、檢修閘、工作門和人孔。放空洞閘室段進(jìn)口孔口尺寸為11.0 m×6.0 m(寬×高)，進(jìn)口頂板為橢圓曲線(長軸和短軸分別為5.4 m和2.5 m)，檢修閘和工作門孔口尺寸均為3.5 m×3.5 m(寬×高)。

導(dǎo)流放空洞洞線總長為327.60 m。放空洞樁號(hào)0+000～0+010段為由3.5 m×3.5 m方形漸變?yōu)橹睆?.5 m圓形的漸變段;從樁號(hào)0+010后為直徑3.5 m的圓形斷面，經(jīng)豎向轉(zhuǎn)彎段在樁號(hào)0+037.50處與導(dǎo)流洞銜接，銜接段(0+037.50～0+050.78)為直徑3.5 m漸擴(kuò)至7 m的圓形斷面。平面上在樁號(hào)0+060～0+133.30段為半徑R=84 m、轉(zhuǎn)角50°的轉(zhuǎn)彎段，其余為直線段。從樁號(hào)0+050.78～0+317.60段隧洞斷面為直徑7 m的圓形斷面，出口從樁號(hào)0+317.6～0+327.60段為由直徑7 m圓形漸變?yōu)?.8 m×5.8 m方形的漸變段，出口底板高程為450.00 m。

出口段包括消力池(0+327.60～0+362.60)和護(hù)砌段，消力池長35 m，擴(kuò)散角為9.6°，消力池底高程為448.00 m，前8 m為底高程為450.00 m降至448 m的逆坡，尾坎頂高程為450.00 m。護(hù)砌段為平底，底高程為450.00 m。

2 放空洞優(yōu)化設(shè)計(jì)

放空洞布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其布置型式是否合理直接影響泄流能力、水流流態(tài)及出口消能效果，有必要研究放空洞水力特性，并對其布置型式進(jìn)行優(yōu)化。原設(shè)計(jì)方案導(dǎo)流閘至放空洞檢修閘洞段兩側(cè)邊墻為折線型(圖1)，頂面為16.17 m半徑弧線，對水流條件不利，為此擬改為曲線型(圖2、圖3)，側(cè)邊墻曲線圓弧半徑為1.75 m，頂面10.5 m半徑(3倍進(jìn)水孔高度)弧線，導(dǎo)流閘出口孔口高度為3.604 m。

圖1 導(dǎo)流閘至放空洞檢修洞段原設(shè)計(jì)方案

圖2 導(dǎo)流閘至放空洞檢修閘洞段修改方案平面圖

圖3 導(dǎo)流閘門至放空洞檢修門段修改方案縱向剖面圖

放空洞與導(dǎo)流洞銜接段結(jié)構(gòu)推薦位由縱向45°傾斜角、直徑為3.5 m緩彎漸擴(kuò)到垂向、直徑為7 m圓形，具體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 放空洞與導(dǎo)流洞銜接段推薦結(jié)構(gòu)圖

3 放空洞概化水工模型試驗(yàn)

通過放空洞水流三維數(shù)值模擬試算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，放空洞水流條件非常復(fù)雜，為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，開展了小比尺概化水工模型試驗(yàn)，主要觀測研究放空洞與導(dǎo)流洞銜接段上游洞段(樁號(hào)0－018～0+037.50)和出口段水流流態(tài)，特別是銜接段上游洞段的明滿流流態(tài)，以及出口段的水躍形態(tài)。

模型模擬范圍及概化布置如下:放空洞與導(dǎo)流洞銜接段上游部分及緊接下游段(0－018～0+060)和導(dǎo)流洞漸變段下游部分(0+317.60以下至下游河道)完全模擬，將銜接段末端至導(dǎo)流洞漸變段首端之間(0+060～0+317.60，包括轉(zhuǎn)彎段和直線段)的長257.60 m的導(dǎo)流洞段概化為70 m直線段，控制銜接段出口和導(dǎo)流洞出口底高程不變。河道地形高程采用約450 m概化模擬。

共進(jìn)行了庫水位510.09～477.72 m范圍的9組不同水位工況的試驗(yàn)。

在庫水位為510.09～477.72 m情況下，模型試驗(yàn)得出的放空洞泄流量為262～12 m3/s，各工況庫水位的泄流量見表1，放空洞泄流能力關(guān)系曲線見圖5。

表1 模型試驗(yàn)放空洞不同庫水位泄流量

圖5 模型試驗(yàn)放空洞泄流能力關(guān)系曲線

4 流態(tài)

各庫水位情況下流態(tài)特征見表1。

表2 各庫水位情況下流態(tài)特征表

模型試驗(yàn)觀察到:在庫水位在510.09～477.72 m時(shí)，放空洞銜接段上游洞段(樁號(hào)0－018～0+037.50)出現(xiàn)滿流、明滿流過渡和明流3種流態(tài)，銜接段進(jìn)口斷面樁號(hào)0+37.50以下洞段均為明流。從進(jìn)水口至檢修閘洞段流速沿程增大，檢修閘出口至放空洞漸變段首斷面洞段內(nèi)流速沿程分布均勻，漸變段內(nèi)流速沿程增加，進(jìn)入豎彎圓弧段流速繼續(xù)增加，洞底流速大于洞頂流速，銜接段內(nèi)出現(xiàn)最大流速，庫水位為493 m時(shí)斷面平均流速達(dá)24.86 m/s。

5 結(jié)語

通過對林海水庫防空洞結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行分析，建立了放空洞水流三維 k～ε紊流數(shù)學(xué)模型，對庫水位 510.09～477.72 m的水位條件進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算;開展了比尺為1∶70的概化水工模型，對放空洞水流流態(tài)進(jìn)行了研究，并對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。從而選定了放空洞優(yōu)化布置方案，完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1]李煒.水力計(jì)算手冊:第二版[M].北京:中國水利水電出版社，2006.

[2]張?jiān)?，陳?清江水布埡水利樞紐放空洞1/58水工模型試驗(yàn)報(bào)告[R].武漢:長江科學(xué)院，2001.

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