劉剛森 武彩萍 宋倩 王嘉儀

（1.河南大學(xué)，河南 開(kāi)封 475001；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.河南省白沙水庫(kù)管理局，河南 許昌 461670）

1 工程概況

河口村水庫(kù)位于黃河一級(jí)支流沁河的最后一段峽谷出口處，是控制沁河洪水、徑流的關(guān)鍵工程，也是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分。樞紐由混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道及引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成，混凝土面板堆石壩最大壩高122.5。河口村水庫(kù)泄水建筑物包括一座溢洪道和兩條泄洪洞，2號(hào)泄洪洞為高位洞，進(jìn)口底板高程210m，2號(hào)泄洪洞工作突跌突擴(kuò)方案，弧形工作門(mén)尺寸為7.5m×8.2m。工作門(mén)后跌坎高度為1.8m，左右兩側(cè)各突擴(kuò)0.75m，坎下設(shè)置1：10的陡坡，洞寬9.0m，陡坡與龍?zhí)ь^銜接，龍?zhí)ь^末端設(shè)一高度為1.0m的跌坎，洞身為城門(mén)洞型，洞身斷面尺寸為9.0m×13.5m。在龍?zhí)ь^段樁號(hào)0+075.0m處設(shè)置一道B型摻氣坎，即挑坎與跌坎組合型摻氣坎，并分別在洞身樁號(hào)0+270.28m、0+370.28m、0+470.28m處設(shè)置三道C型摻氣坎，即挑坎與通氣槽組合型摻氣坎。泄洪洞挑流鼻坎為連續(xù)式，挑角為28度，反弧半徑為55m。泄洪洞工作門(mén)突跌突擴(kuò)方案布置如圖1。

3 試驗(yàn)成果

3.1 泄流能力

圖2 模型實(shí)測(cè)泄洪洞水位流量關(guān)系曲線

圖1 泄洪洞工作門(mén)突跌突擴(kuò)方案布置圖

2 模型設(shè)計(jì)

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，幾何比尺Lr=35，相應(yīng)的其他主要物理量比尺寸為：流量比尺Qr=Lr5/2=7247，流速比尺Vr=Lr1/2=5.92；糙率比尺Nr=Lr1/6=1.81；時(shí)間比尺Tr=Lr1/2=5.92。

試驗(yàn)對(duì)泄洪洞閘門(mén)全開(kāi)時(shí)的水位流量關(guān)系進(jìn)行了量測(cè)，同時(shí)對(duì)事故門(mén)井水位進(jìn)行了量測(cè)，結(jié)果如圖2?？梢钥闯?，試驗(yàn)值大于設(shè)計(jì)值，泄量滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)試驗(yàn)資料反求流量系數(shù)見(jiàn)1，模型實(shí)測(cè)綜合流量系數(shù)與典型的短壓力進(jìn)水口流量系數(shù)一致，從泄流量看，進(jìn)口壓力段體型的設(shè)計(jì)尺寸是合理的。

表1 特征洪水泄洪洞綜合流量系數(shù)

3.2 水流流態(tài)

圖3 進(jìn)口底板壓力分布圖

圖4 進(jìn)口側(cè)墻壓力分布圖

圖5 進(jìn)口頂板壓力分布圖

圖6 洞身低板壓力沿程分布圖

結(jié)果表明，高速水流出閘孔后形成射流，一方面，在跌坎下方形成底空腔；另一方面，水流因邊壁側(cè)擴(kuò)而橫向擴(kuò)散與兩側(cè)邊壁間形成側(cè)空腔；側(cè)擴(kuò)射流在門(mén)座不遠(yuǎn)處再次觸壁后，沖擊水流沿墻向上竄起形成水翅，向下在空腔內(nèi)形成水簾，沿兩側(cè)壁落入底板。在射流界面上，由于流體的紊動(dòng)而發(fā)生水氣交換，形成摻氣。由于射流水舌與底板夾角較大，水流沖擊底板產(chǎn)生較大的反向上溯水流，汛限水位238m時(shí)，回流可以達(dá)到跌坎處，即底空腔充滿水體，無(wú)法摻氣。在設(shè)計(jì)洪水（庫(kù)水位275m）時(shí)，底空腔也有回水存在，底空腔的有效長(zhǎng)度只有水舌底緣長(zhǎng)度的30%，通氣孔被淹沒(méi)，主要通過(guò)側(cè)空腔供氣。在校核洪水（庫(kù)水位285.45m）時(shí)，底空腔的有效長(zhǎng)度只有水舌底緣長(zhǎng)度的32%~47%，通氣孔處于淹沒(méi)和半淹沒(méi)交替狀態(tài)，主要通過(guò)側(cè)空腔供氣。由于射流水舌和底板夾角較大，不僅在水流沖擊點(diǎn)產(chǎn)生較大的反向水流，同時(shí)觀測(cè)到在水流沖擊區(qū)有一股水流向上翻起，導(dǎo)致龍?zhí)ь^上段水面上下波動(dòng)。

3.3 壓力分布

試驗(yàn)量測(cè)泄洪洞進(jìn)口段壓力如圖3~圖6，在泄洪洞進(jìn)口壓力流段，泄洪洞各部位壓力分布均勻，且為正壓。水流出閘室后，閘下底板陡坡段所測(cè)壓力均為正壓，由于射流沖擊底板，壓力起伏變化較大，在跌坎下游有明顯的峰值，峰值位于跌坎下游12m~34m范圍內(nèi)。由于突擴(kuò)跌坎后側(cè)擴(kuò)射流沖擊側(cè)墻，產(chǎn)生清水區(qū)。清水區(qū)內(nèi)流線折射，導(dǎo)致局部壓力降低，形成低壓區(qū)。另外，在泄洪洞龍?zhí)ь^末端跌坎以及洞身三級(jí)摻氣坎坎后底板上因射流水舌的沖擊，水舌下產(chǎn)生局部負(fù)壓，負(fù)壓值較小，水舌沖擊區(qū)短距離內(nèi)壓力迅速增至最高，而后沿程衰減接近下游水深。

3.4 流速分布

試驗(yàn)對(duì)洞身不同斷面流速進(jìn)行了量測(cè)，結(jié)果表明，水流出孔口后，洞身各斷面流速分布均為中垂線流速略大于兩側(cè)，在龍?zhí)ь^段斷面平均流速沿程增加，龍?zhí)ь^段末端以下，洞身各斷面平均流速沿程減小。在校核洪水時(shí)，洞身各斷面平均流速大于30m/s，在樁號(hào)0+279.28m以上洞身各斷面平均流速均大于35m/s。

圖7 摻氣坎體型細(xì)部尺寸

3.5 摻氣坎摻氣效果分析

該方案在龍?zhí)ь^段樁號(hào)0+075.0m處設(shè)置一道B型摻氣坎，即挑坎與跌坎組合型摻氣坎，并在洞身樁號(hào) 0+270.28m、0+370.28m、0+470.28m處設(shè)置三道C型摻氣坎，即挑坎與通氣槽組合型摻氣坎，三道C型摻氣坎的尺寸相同，摻氣坎尺寸如圖7。

試驗(yàn)對(duì)不同特征水位下各級(jí)摻氣坎的摻氣濃度進(jìn)行了量測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖8，在庫(kù)水位275m以上，工作門(mén)突跌突擴(kuò)摻氣坎至龍?zhí)ь^段摻氣坎（0+075m）之間近底層水流摻氣濃度沿程逐漸減少，但其摻氣濃度均大于3%，龍?zhí)ь^段摻氣坎至龍?zhí)ь^末端該段水流近底摻氣濃度較其它部位都大。但摻氣坎下游為一反弧段，反弧段由于有離心力作用使氣量的逸離加劇，摻氣濃度沿程衰減幅度大，至龍?zhí)ь^末端，即坎下75m斷面摻氣濃度迅速下降至3%以下。龍?zhí)ь^末端跌坎下的最大近底層摻氣濃度為13.1%，至坎下80m斷面摻氣濃度降至3%以下。洞身第1級(jí)摻氣坎坎下的最大近底層摻氣濃度為9%，至坎下60m斷面摻氣濃度降至3%以下。洞身第2級(jí)摻氣坎坎下的最大近底層摻氣濃度為7.5%，至坎下60m斷面摻氣濃度降至3%以下。洞身第3級(jí)摻氣坎坎下10m斷面摻氣濃度達(dá)到3.3%，其余部位摻氣濃度均在3%以下。從各摻氣坎的摻氣濃度分布來(lái)看，龍?zhí)ь^末端及洞身三級(jí)摻氣坎的保護(hù)長(zhǎng)度相對(duì)較小，建議修改摻氣坎體型以增加其保護(hù)長(zhǎng)度。

圖9為龍?zhí)ь^段各斷面摻氣濃度沿水深分布，可以看出，由于洞內(nèi)流速較大，一方面從水流表面進(jìn)行摻氣，水流底部主要靠摻氣設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)氣，各斷面水流表面摻氣濃度都比較大，而底部摻氣濃度則隨著與摻氣坎距離遠(yuǎn)近發(fā)生較大的變化，距離摻氣坎越遠(yuǎn)，斷面底部摻氣濃度衰減的越快。

3.6脈動(dòng)壓力特性

試驗(yàn)分別對(duì)水舌沖擊部位、洞身負(fù)壓區(qū)及挑流鼻坎等部位的脈動(dòng)壓力進(jìn)行了量測(cè)，比較幾個(gè)部位的測(cè)點(diǎn)，脈動(dòng)壓力強(qiáng)度在水舌沖擊區(qū)相對(duì)較大，庫(kù)水位285.43m時(shí)水舌沖擊區(qū)的脈動(dòng)強(qiáng)度最大，最大脈動(dòng)壓力均方根約為3.32m水柱，脈動(dòng)壓力強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到0.05，其次在側(cè)墻水流脫流區(qū)，脈動(dòng)壓力均方根約為2.36m水柱，脈動(dòng)壓力強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到0.036。

引起壓力脈動(dòng)的渦旋結(jié)構(gòu)仍以低頻為主，各測(cè)點(diǎn)水流脈動(dòng)壓力優(yōu)勢(shì)頻率范圍均在0.01～1.70 Hz(原型)之間，能量相對(duì)集中的頻率范圍均在2 Hz以下，即各測(cè)點(diǎn)均屬于低頻脈動(dòng)。水流脈動(dòng)壓力概率分布接近正態(tài)。

圖8 摻氣坎后近底層摻氣濃度沿程分布

圖9 龍?zhí)ь^摻氣坎下游不同斷面摻氣濃度沿垂線分布

4 結(jié)論與建議

經(jīng)過(guò)對(duì)泄洪洞工作突跌突擴(kuò)方案試驗(yàn)研究可知，該方案泄洪洞的泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，從泄洪洞的泄流量及進(jìn)口段壓力分布看，進(jìn)口壓力段體型設(shè)計(jì)及工作門(mén)尺寸是合理的。引起壓力脈動(dòng)的渦旋結(jié)構(gòu)以低頻為主，水流脈動(dòng)壓力概率分布接近正態(tài)。但閘門(mén)出口射流水舌底空腔內(nèi)存有水體，淹沒(méi)通氣孔，減小底空腔的有效高度和長(zhǎng)度。水舌底空腔不穩(wěn)定及側(cè)空腔水翅等導(dǎo)致龍?zhí)ь^上段水流波動(dòng)劇烈。建議對(duì)工作門(mén)出口的突跌突擴(kuò)尺寸以及龍?zhí)ь^段上段底板體型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。從各摻氣坎的摻氣濃度分布來(lái)看，龍?zhí)ь^末端及洞身三級(jí)摻氣坎的保護(hù)長(zhǎng)度相對(duì)較小，建議修改摻氣坎體型以增加其保護(hù)長(zhǎng)度。

［1］武彩萍,李遠(yuǎn)發(fā),等.河口村水庫(kù)2號(hào)泄洪洞水工模型試驗(yàn)報(bào)告.黃河水利科學(xué)研究院,2011.3.