李紅英,羅永欽

(中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650033)

隨著我國西南水電開發(fā)步伐的加快,一些大型水電工程布置了多條有壓隧洞,多洞聯(lián)合泄流能力是水工模型試驗(yàn)的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容,直接關(guān)系到水利水電工程的安全。受模型比尺效應(yīng)影響,糙率通常不能滿足原型與模型相似要求,影響有壓隧洞水位流量試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,因此必須對糙率進(jìn)行校正。目前常用的糙率校正方法,無論是修正洞長法(阻力系數(shù)修正法)還是變態(tài)比例尺法,都是針對單條有壓隧洞的泄流試驗(yàn),研究人員通常應(yīng)用沿程阻力系數(shù)修正法、變態(tài)模型試驗(yàn)修正等方法對糙率進(jìn)行修正,以得到合理的水位～流量關(guān)系曲線[1-3]。

當(dāng)多條有壓隧洞聯(lián)合泄流時,用修正洞長法會改變進(jìn)、出口與其他建筑物的相對位置;用變態(tài)比例尺法會造成有壓洞的體型變態(tài),從而使模型的局部水頭損失與原型的不相似,同時改變了有壓洞的底坡而使建筑物進(jìn)、出口的相對位置與原型不同,由此造成模型的下游出流與原型的不相似。因此,在多條有壓隧洞聯(lián)合運(yùn)行的水工模型試驗(yàn)中,采用適當(dāng)抬高庫水位的方式來彌補(bǔ)模型試驗(yàn)中額外增加的沿程阻力水頭損失,從而實(shí)現(xiàn)對流量的修正。在進(jìn)行泄流能力試驗(yàn)研究時,如先進(jìn)行單條有壓隧洞水位流量試驗(yàn),再對糙率校正后的成果進(jìn)行累加計(jì)算,這種方法工作量非常大,耗時耗力,且未考慮相鄰有壓隧洞之間的流線干擾,試驗(yàn)準(zhǔn)確度也受到一定影響。基于此,筆者針對多條有壓隧洞聯(lián)合泄流時的糙率校正方法進(jìn)行研究,以求較好地解決多條有壓隧洞聯(lián)合泄流的糙率校正問題。

1 單條有壓隧洞糙率校正方法

水工模型不僅要滿足重力相似準(zhǔn)則,還必須滿足阻力相似準(zhǔn)則。所謂阻力相似準(zhǔn)則,即模型試驗(yàn)泄水建筑物過流邊界的沿程阻力和局部阻力與原型沿程阻力和局部阻力相似。對正態(tài)模型而言,只要保證在阻力平方區(qū),局部阻力就能滿足相似準(zhǔn)則,而沿程阻力與邊界糙率有關(guān),邊界糙率是否相似與模型選用材料和模型比尺有關(guān)。例如,選用糙率為0.0085的有機(jī)玻璃,其不同模型比尺下對應(yīng)的原型糙率見表1。由表1可見,只有當(dāng)模型比尺達(dá)到1∶20時才能達(dá)到原、模型糙率相似要求,這在模型試驗(yàn)中很難實(shí)現(xiàn)。

表1 各比尺下原、模型糙率的相似關(guān)系

對于有壓隧洞,過流面糙率不相似主要影響泄水建筑物的實(shí)際過流量,在相同水位下,試驗(yàn)得到的泄流量比實(shí)際過流量小,因此必須進(jìn)行糙率校正。為了確保進(jìn)、出口流態(tài)及流速相似并保證泄流量相似,單條有壓隧洞過流量糙率校正采用抬高庫水位的方式來彌補(bǔ)模型試驗(yàn)額外增加的沿程阻力水頭損失,即根據(jù)式(1)計(jì)算不同泄流量糙率偏大引起的庫水位升高修正量Δh,式(1)考慮了有壓隧洞的長度、過水面積、水力半徑等參數(shù),經(jīng)過修正的水位～流量關(guān)系曲線和實(shí)際更為接近。

式中:Δh為因糙率不相似引起的庫水位升高修正量,m;L為有壓隧洞長度,m;Q為實(shí)測下泄流量,m3/s;A為有壓隧洞洞段斷面面積,m2;R為有壓隧洞洞段斷面水力半徑,m為模型對應(yīng)原型的糙率;np為原型設(shè)計(jì)糙率,np=0.014。

2 多條有壓隧洞糙率校正方法

在水工模型試驗(yàn)中,通常采用上述方法對通過各單洞過流量進(jìn)行糙率校正,再疊加各單洞相同校正后水位的流量來表述修正后的總泄流量。如果多條有壓隧洞聯(lián)合運(yùn)行時按上述方法進(jìn)行水位流量的糙率校正,需要確定多條有壓隧洞聯(lián)合運(yùn)行的水位～流量關(guān)系,則需測量多條有壓隧洞單獨(dú)運(yùn)行的水位～流量關(guān)系曲線(水位～流量關(guān)系曲線數(shù)量與隧洞數(shù)量相等),工作量非常大。同時,就糙率校正質(zhì)量而言,通過各單洞泄流的實(shí)測水位～流量關(guān)系曲線來校正多條有壓隧洞聯(lián)合泄流的水位～流量關(guān)系,沒有考慮多條有壓隧洞聯(lián)合泄流時的相互影響,對于各洞間影響較大的泄水建筑物,糙率校正質(zhì)量將受到影響。

為了解決模型試驗(yàn)中多條有壓隧洞聯(lián)合運(yùn)行時糙率校正過程工作量大、耗時長,且校正質(zhì)量不能得到保證的問題,在水工模型試驗(yàn)中對需要聯(lián)合運(yùn)行的多條有壓隧洞直接實(shí)測庫水位、模型總泄流量2個參數(shù),同時對各單洞進(jìn)行糙率校正,得到聯(lián)合泄流的校正水位、各單洞的實(shí)際下泄流量,具體步驟如下[4]:

步驟1每條隧洞因糙率偏大引起的庫水位升高修正量仍按式(1)進(jìn)行計(jì)算,多條有壓隧洞聯(lián)合泄流時,每條隧洞的庫水位升高修正量見式(2)(就每條洞而言,mk是一個常數(shù)):

步驟2庫水位一定時,進(jìn)口高程、洞身水力參數(shù)與各單洞之間的相互影響導(dǎo)致各洞泄流量不同,但各單洞校正前庫水位相等,校正后的庫水位也是相等的,表現(xiàn)為各單洞庫水位升高修正量相等,即

步驟3在多條有壓隧洞聯(lián)合運(yùn)行時,各單洞過流量之和等于參與聯(lián)合泄流洞群的總泄流量,即

通過分析式(2)～式(4)可得出:當(dāng)對多條有壓隧洞聯(lián)合泄流進(jìn)行糙率校正時,共有n+1個未知數(shù),分別是 Δh,Q1,Q2,…,Qn?？晒┣蠼獾姆匠虜?shù)同樣為n+1個,此方程組是封閉的,有解析解。從以上分析可以看出,采用此方法僅需測量1組次多條有壓隧洞同時泄流時的水位、流量數(shù)據(jù)便能求出其聯(lián)合泄流時的校正水位及各單洞的泄流量,同時還考慮了各單洞之間過流量的影響。由此可快速地評判多條有壓隧洞聯(lián)合泄流的泄流能力是否滿足工程需要。試驗(yàn)研究過程中,在泄流量確定時可通過反算來確定模型所需增補(bǔ)的水頭(庫水位升高修正量),從而保證泄水建筑物出口下游的出流與原型相似,并保證試驗(yàn)研究精度。

3 應(yīng)用實(shí)例

其宗水電站位于云南省香格里拉縣、維西縣、玉龍縣三縣交界的金沙江中游河段,是金沙江中、下游河段水電規(guī)劃的第1個梯級電站,在施工導(dǎo)流期存在多條有壓隧洞同時泄流的情況。在水工模型試驗(yàn)中,用本文方法進(jìn)行糙率校正,在較短的時間內(nèi)就完成了泄流能力試驗(yàn),為設(shè)計(jì)決策提供了科學(xué)有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。表 2是對4號、5號、6號導(dǎo)流洞與泄洪洞和放空洞5洞聯(lián)合泄流工況進(jìn)行糙率校正的計(jì)算結(jié)果(模型比尺為1∶100),模型總泄流量為9702m3/s,模型實(shí)測水位為2100.37m,模型對應(yīng)原型糙率為0.0183,原型設(shè)計(jì)糙率為0.014。

表2 其宗水電站糙率校正計(jì)算結(jié)果

由式(2)～(4)求得各有壓隧洞的庫水位升高修正量Δh=8.267m。各有壓隧洞實(shí)際過流量分別為:

4 結(jié) 語

為解決水利水電工程多條有壓隧洞聯(lián)合泄流的糙率校正問題,采用一封閉的方程組求解各有壓隧洞的水位校正值和實(shí)際過流量,可對多條有壓隧洞聯(lián)合泄流時的水位進(jìn)行糙率校正,試驗(yàn)成果準(zhǔn)確可靠。該方法僅需測量1組次多條有壓隧洞同時泄流時的水位、流量數(shù)據(jù)便能求出其聯(lián)合泄流時的校正水位及各單洞的泄流量,同時還考慮了各單洞間的過流量影響,節(jié)省了大量的人力及時間。

該方法在金沙江流域其宗水電站5條有壓隧洞聯(lián)合泄流水工模型成功應(yīng)用后,在緬甸丹倫江滾弄水電站、金沙江梨園、阿海等多個水電站的導(dǎo)流洞泄流能力試驗(yàn)中展開應(yīng)用。結(jié)果表明,多條有壓隧洞聯(lián)合泄流用本文方法進(jìn)行糙率校正后取得的成果與單洞糙率校正后疊加所取得的成果吻合良好。

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[1]楊慶,戴光清.水工導(dǎo)流隧洞模型試驗(yàn)中糙率不相似問題的研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2002,34(4):42-45.

[2]賀昌林,余挺,張建民,等.長泄洪洞模型糙率修正方法研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2007,39(6):26-29.

[3]岳麗霞.水工模型試驗(yàn)中長導(dǎo)流洞的糙率修正問題[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2009,28(1):34-35.

[4]李紅英,羅永欽,張紹春,等.水工模型試驗(yàn)n條有壓隧洞聯(lián)合泄流糙率校正方法:中國,ZL200810233687.8[P].2010-08-18.