范晏崗

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，新疆 烏魯木齊　830000)

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泄洪隧洞水力特性試驗研究

范晏崗

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，新疆 烏魯木齊830000)

摘要：高水頭大流量水電站泄洪消能問題一直是水利水電工程界關心的熱點和難點問題，泄洪隧洞是主要泄水建筑物之一。文章通過水工模型試驗方法，以某實際工程為例，開展泄洪隧洞水力特性試驗研究，研究水面線和流速等沿程變化情況、試驗值和計算值，并進行相互對比驗證，研究成果為工程設計提供了重要參考依據。

關鍵詞：泄洪隧洞；水力特性；試驗；水面線；流速

0引言

隨著我國經濟實力的快速發(fā)展，一大批水利水電工程已建或在建，并且在建與待建的一批大型水電站都屬于高壩范疇[1-2]。由于高壩建設普遍存在水頭高、流量大的技術特點，明流泄洪隧洞的水力學問題是高壩建設需要解決的一個重要問題[3-4]。文獻[5-7]分別采用三維數值模擬方法研究泄洪洞內水流特性；文獻[8]對豎井式泄洪洞開展了理論研究，根據多座泄洪洞試驗數據導出旋渦豎井的相關水力學計算公式；文獻[9-11]分別對豎井旋流泄洪洞開展了三維數值模擬研究，對泄洪洞泄流能力等進行了分析研究。

某大型水電站由于泄洪隧洞內流速較高、紊動劇烈及水面波動大，對泄洪隧洞的安全運行存在威脅。因此，本文通過開展模型試驗研究，分析泄洪洞內水面線及流速分布等水力特性，為泄洪隧洞的安全運行提供參考依據。

1試驗方法及模型制作

本文建立的水工模型采用重力相似準則設計[11]，比例為1∶50，采用正態(tài)模型，模型范圍取庫區(qū)150 m，下游至出水渠130 m，模型糙率為0.007 8。模型中，上游庫區(qū)采用磚砌結構，并涂抹水泥砂漿防止?jié)B水。泄洪隧洞進口段與水庫邊墻齊平，有壓短管控制段、泄流隧洞段、明流泄槽段、消力池段及出口消能段底板，均采用10 mm厚PVC塑料板制作。為了便于流態(tài)觀察及水力參數測量，泄流隧洞段、明流泄槽段及出口消能段側墻均采用有機玻璃。根據測試需要，本研究從泄洪洞有壓短管出口至明流泄槽末端共布置24個監(jiān)測斷面，其中隧洞段布置17個斷面，明流泄槽段布置7個斷面，具體布置方式如圖1所示。

圖1　泄洪隧洞檢測斷面布置示意圖

模型全部制作安裝就位后，對各部尺寸、高程等進行測量檢查。正式試驗前對模型進行全面試水試驗，檢驗整個循環(huán)系統(tǒng)，對模型中的漏水、滲水部位進行修整，為正式試驗做好準備。

2試驗結果及分析

本文主要測試水利樞紐工程3個典型水位下的水力性能，其中包括校核洪水位993.35 m，設計洪水位992.66 m,正常蓄水位990 m。

2.1有壓短管的泄流能力研究

泄流試驗目的是檢驗在壓板控制下，有壓短管過流能力。試驗率定了弧形閘門全開時，不同庫水位情況下，各種庫水位-流量關系以及相應流量系數，試驗結果見表1所列。

表1　有壓短管庫水位-流量關系

試驗結果表明,有壓短管在庫水位993.35 m時，實際過流能力為526.92 m3/s，實測泄流能力略大于設計計算泄流能力519.00 m3/s，誤差為1.5%，泄流能力滿足要求；在庫水位992.66 m時，實際過流能力為520.28 m3/s，實測泄流能力略大于設計計算泄流能力509.00 m3/s，誤差為2.2%，泄流能力滿足要求；在庫水位990.00 m時，實測過流能力為513.68 m3/s，實測泄流能力大于設計計算泄流能力499.00 m3/s，誤差為2.9%；在庫水位984.00 m時，實測過流能力為493.61 m3/s，實測泄流能力大于設計計算泄流能力476.00 m3/s，誤差為3.6%；充分表明在相應庫水位下，實測流量均大于設計計算流量，但誤差均小于5%，符合實際工程要求，說明該有壓短管在各種水位標準下，泄流能力均能滿足要求。

2.2水面線與流速試驗研究

通過試驗觀測3種典型水位下沿程水深及斷面平均流速情況，結果見表2所列。表2中，典型水位1庫水位為993.35 m，流量為526.92 m3/s；典型水位2庫水位為992.66 m，流量為520.28 m3/s；典型水位3庫水位為990.00 m，流量為513.68 m3/s。

由表2可知，在庫水位993.35 m下，泄流隧洞中最大水深為3.95 m，小于相應隧洞段高度7.0 m，隧洞高度滿足要求；明流泄槽段最大水深為3.70 m，小于相應泄槽段側墻的高度7.5 m，泄槽邊墻高度滿足要求。所以本工程泄流隧洞段高度及明流泄槽段側墻高度足以滿足最大水位下最大水深要求，整個泄流隧洞及明流泄槽泄水能力滿足要求。

表2　典型水位下沿程水深

圖2所示給出了庫水位為992.66 m、流量為520.28 m3/s工況下有壓短管出口和反弧段末端出口斷面流速分布情況，可以看出，泄洪洞斷面平均流速沿程增加，從有壓短管出口至反弧段末端，斷面最大流速由36.5 m/s增大至41.8 m/s，水深逐漸變淺，斷面流速梯度明顯增大。

圖2斷面流速分布

2.3斷面流速試驗與理論值對比

本研究分別選取2種典型水位下，有壓短管出口(0+027.00 m)和反弧段末端(0+196.63 m)典型斷面進行流速對比驗證。驗證過程中，將實測流速與流量計算流速對比，對比情況見表3所列。

由表3可以看出，實測斷面平均流速與反算平均流速吻合較好，反弧段末端處誤差大于有壓管出口，

這是由于反弧段末端流速較高，水位波動較大，準確測試水深和流速分布難度較大，從而引起相對較大誤差，但斷面測試誤差均小于5%。

由此說明，本研究的測試數據可靠，能夠有效指導工程設計。

表3　斷面平均流速對比

3結論

(1) 在各種水位標準下，有壓短管泄流能力滿足要求。

(2) 各種典型水位下，泄流隧洞和明流泄槽邊墻高度滿足設計要求。

(3) 泄洪隧洞沿程斷面流速逐漸增加，反弧段末端流速最大值達到41.8 m/s。

〔參考文獻〕

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[11]呂宏興，裴國霞.水力學[M].北京：中國農業(yè)出版社，2002.

收稿日期：2016-02-26；修改日期：2016-03-16

作者簡介：范晏崗(1982-),男，四川南充人，新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局工程師．

中圖分類號：TV135.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0221-03