范晏崗

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

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泄洪隧洞水力特性試驗(yàn)研究

范晏崗

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)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(wèn)題一直是水利水電工程界關(guān)心的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，泄洪隧洞是主要泄水建筑物之一。文章通過(guò)水工模型試驗(yàn)方法，以某實(shí)際工程為例，開(kāi)展泄洪隧洞水力特性試驗(yàn)研究，研究水面線(xiàn)和流速等沿程變化情況、試驗(yàn)值和計(jì)算值，并進(jìn)行相互對(duì)比驗(yàn)證，研究成果為工程設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：泄洪隧洞；水力特性；試驗(yàn)；水面線(xiàn)；流速

0引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)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(shè)普遍存在水頭高、流量大的技術(shù)特點(diǎn)，明流泄洪隧洞的水力學(xué)問(wèn)題是高壩建設(shè)需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題[3-4]。文獻(xiàn)[5-7]分別采用三維數(shù)值模擬方法研究泄洪洞內(nèi)水流特性；文獻(xiàn)[8]對(duì)豎井式泄洪洞開(kāi)展了理論研究，根據(jù)多座泄洪洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出旋渦豎井的相關(guān)水力學(xué)計(jì)算公式；文獻(xiàn)[9-11]分別對(duì)豎井旋流泄洪洞開(kāi)展了三維數(shù)值模擬研究，對(duì)泄洪洞泄流能力等進(jìn)行了分析研究。

某大型水電站由于泄洪隧洞內(nèi)流速較高、紊動(dòng)劇烈及水面波動(dòng)大，對(duì)泄洪隧洞的安全運(yùn)行存在威脅。因此，本文通過(guò)開(kāi)展模型試驗(yàn)研究，分析泄洪洞內(nèi)水面線(xiàn)及流速分布等水力特性，為泄洪隧洞的安全運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1試驗(yàn)方法及模型制作

本文建立的水工模型采用重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[11]，比例為1∶50，采用正態(tài)模型，模型范圍取庫(kù)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(kù)區(qū)采用磚砌結(jié)構(gòu)，并涂抹水泥砂漿防止?jié)B水。泄洪隧洞進(jìn)口段與水庫(kù)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(shù)測(cè)量，泄流隧洞段、明流泄槽段及出口消能段側(cè)墻均采用有機(jī)玻璃。根據(jù)測(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中隧洞段布置17個(gè)斷面，明流泄槽段布置7個(gè)斷面，具體布置方式如圖1所示。

圖1　泄洪隧洞檢測(cè)斷面布置示意圖

模型全部制作安裝就位后，對(duì)各部尺寸、高程等進(jìn)行測(cè)量檢查。正式試驗(yàn)前對(duì)模型進(jìn)行全面試水試驗(yàn)，檢驗(yàn)整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)模型中的漏水、滲水部位進(jìn)行修整，為正式試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文主要測(cè)試水利樞紐工程3個(gè)典型水位下的水力性能，其中包括校核洪水位993.35 m，設(shè)計(jì)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(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)在壓板控制下，有壓短管過(guò)流能力。試驗(yàn)率定了弧形閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，不同庫(kù)水位情況下，各種庫(kù)水位-流量關(guān)系以及相應(yīng)流量系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1　有壓短管庫(kù)水位-流量關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明,有壓短管在庫(kù)水位993.35 m時(shí)，實(shí)際過(guò)流能力為526.92 m3/s，實(shí)測(cè)泄流能力略大于設(shè)計(jì)計(jì)算泄流能力519.00 m3/s，誤差為1.5%，泄流能力滿(mǎn)足要求；在庫(kù)水位992.66 m時(shí)，實(shí)際過(guò)流能力為520.28 m3/s，實(shí)測(cè)泄流能力略大于設(shè)計(jì)計(jì)算泄流能力509.00 m3/s，誤差為2.2%，泄流能力滿(mǎn)足要求；在庫(kù)水位990.00 m時(shí)，實(shí)測(cè)過(guò)流能力為513.68 m3/s，實(shí)測(cè)泄流能力大于設(shè)計(jì)計(jì)算泄流能力499.00 m3/s，誤差為2.9%；在庫(kù)水位984.00 m時(shí)，實(shí)測(cè)過(guò)流能力為493.61 m3/s，實(shí)測(cè)泄流能力大于設(shè)計(jì)計(jì)算泄流能力476.00 m3/s，誤差為3.6%；充分表明在相應(yīng)庫(kù)水位下，實(shí)測(cè)流量均大于設(shè)計(jì)計(jì)算流量，但誤差均小于5%，符合實(shí)際工程要求，說(shuō)明該有壓短管在各種水位標(biāo)準(zhǔn)下，泄流能力均能滿(mǎn)足要求。

2.2水面線(xiàn)與流速試驗(yàn)研究

通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)3種典型水位下沿程水深及斷面平均流速情況，結(jié)果見(jiàn)表2所列。表2中，典型水位1庫(kù)水位為993.35 m，流量為526.92 m3/s；典型水位2庫(kù)水位為992.66 m，流量為520.28 m3/s；典型水位3庫(kù)水位為990.00 m，流量為513.68 m3/s。

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

表2　典型水位下沿程水深

圖2所示給出了庫(kù)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(yàn)與理論值對(duì)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(jìn)行流速對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證過(guò)程中，將實(shí)測(cè)流速與流量計(jì)算流速對(duì)比，對(duì)比情況見(jiàn)表3所列。

由表3可以看出，實(shí)測(cè)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(dòng)較大，準(zhǔn)確測(cè)試水深和流速分布難度較大，從而引起相對(duì)較大誤差，但斷面測(cè)試誤差均小于5%。

由此說(shuō)明，本研究的測(cè)試數(shù)據(jù)可靠，能夠有效指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

表3　斷面平均流速對(duì)比

3結(jié)論

(1) 在各種水位標(biāo)準(zhǔn)下，有壓短管泄流能力滿(mǎn)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(mǎn)足設(shè)計(jì)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(dá)到41.8 m/s。

〔參考文獻(xiàn)〕

[1]戴會(huì)超,許唯臨.高水頭大流量泄洪建筑物的泄洪安全研究[J].水力發(fā)電,2009,35(1):14-17.

[2]孫雙科.我國(guó)高壩泄洪消能研究的最新進(jìn)展[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2009,7(2)：249-255.

[3]丁學(xué)琦.大流量高水頭水電站泄洪消能設(shè)計(jì)的探討[J].西北水電,2009(6):1-5.

[4]練繼建.高壩泄洪安全關(guān)鍵技術(shù)研究[J].水利水電技術(shù),2009,40(8):80-88.

[5]羅永欽.高水頭明流泄洪洞三維數(shù)值模擬研究[D].成都：四川大學(xué)，2006.

[6]沙海飛,吳時(shí)強(qiáng),陳振文.泄洪洞整體三維紊流數(shù)值模擬[J].水科學(xué)進(jìn)展,2006,17(4):507-511.

[7]張曉東.泄洪洞高速水流三維數(shù)值模擬[D].北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,2004.

[8] 董興林,郭軍,肖白云,等.高水頭大流量旋渦豎井式泄洪洞的設(shè)計(jì)研究[J].水利學(xué)報(bào),2000,31(11):27-33.

[9]楊朝暉,吳守榮,余挺,等.豎井旋流泄洪洞三維數(shù)值模擬研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2007,39(2):41-46.

[10]張曉東,劉之平,高季章,等.豎井旋流式泄洪洞數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào),2003,34(8):58-63.

[11]呂宏興，裴國(guó)霞.水力學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2002.

收稿日期：2016-02-26；修改日期：2016-03-16

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TV135.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0221-03