陳小威， 鄭宏雅， 張宗孝， 嚴培

(1.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048; 2.彬縣紅巖河水庫工程建設指揮辦公室，陜西 咸陽 713500； 3.咸陽市水利水電規(guī)劃勘測設計研究院，陜西 咸陽 712000)

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不同引渠形式下深式短管進口泄流能力的試驗研究

陳小威1， 鄭宏雅2， 張宗孝1， 嚴培3

(1.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048; 2.彬縣紅巖河水庫工程建設指揮辦公室，陜西 咸陽 713500； 3.咸陽市水利水電規(guī)劃勘測設計研究院，陜西 咸陽 712000)

為研究紅巖河水庫導流泄洪洞深式短管進口引渠形式由明渠改成涵洞后對其泄洪能力的影響，對其在明渠和涵洞兩種形式下分別做水工模型試驗，驗證其水力特性。結果表明，較明渠形式，涵洞形式下的導流泄洪洞同水位下泄流量有不同程度的減小，下泄流量減小在導流泄洪洞進口為壓力流狀態(tài)時表現明顯，且減小值隨水位的升高而變大；大壩度汛期100年一遇洪水時，試驗下泄流量較設計下泄流量約小6.35%；運行期100年一遇洪水時，試驗下泄流量較設計下泄流量約小6.51%；運行期2 000年一遇洪水時，試驗下泄流量較設計下泄流量約小6.95%。建議在將紅巖河水庫導流泄洪洞深式短管進口引渠由明渠改成涵洞形式后，需關注導流泄洪洞的下泄流量減小問題，避免由于水庫下泄流量不足引起的大壩安全問題。

深式短管進口；流量系數；泄流能力；漩渦；導流泄洪洞

導流泄洪洞進口前段修建引渠可以改善水流直接從進口涌入泄洪洞而帶來的不良流態(tài)問題，但引渠內的水流會帶來霧化現象，威脅進口岸坡的穩(wěn)定。若將引渠由明渠改成涵洞形式，可改善泄洪洞流態(tài)和保證岸坡穩(wěn)定。但是通過模型試驗觀察發(fā)現，在將導流泄洪洞引渠由明渠改成涵洞形式后，大壩的泄洪能力有所下降。大壩泄洪能力不足會威脅整個工程的安全，需要予以重視并提出合理的解決方案。文中依托紅巖河水庫導流泄洪洞水工模型試驗，對其因進口增加涵洞帶來的泄流能力減小問題進行研究。

1　工程概況

紅巖河水庫導流泄洪洞建筑物由進口引渠段、放水塔、洞身段、拱涵段、出口明槽段、挑流鼻坎、護坦海漫段等部分組成。導流泄洪洞進口原設計引渠為明渠形式，考慮到岸坡的穩(wěn)定性，施工前，設計人員將引渠由明渠形式改成涵洞形式，其平面布置如圖1所示。

圖1　引渠段平面布置

圖1中，進口引渠(暗涵)段長45.0 m，斷面形式為矩形，斷面尺寸8.06 m×9.00 m。引渠后設置放水塔，塔體長25.3 m，塔內設5.5 m×6.2 m的事故檢修閘門和5.5 m×5.5 m的工作弧門各一扇，工作弧門后為城門洞型洞身，斷面尺寸6.5 m×9.6 m。紅巖河水庫導流泄洪洞進口設計為深式短管形式。

2　進水口流態(tài)

在水利工程的進水口前，如導流洞、泄洪洞、水泵等進口處，容易出現漩渦[1-2]。紅巖河水庫導流泄洪洞進水口在壓力流狀態(tài)下，進口前水流產生漩渦，使水流流態(tài)惡化。淹沒水深S為水位減去850.00 m(導流泄洪洞底板高程)所得。進口引渠為明渠形式：當S=10.85 m時，導流洞進口前水流開始產生吸氣漏斗，隨著庫水位的繼續(xù)升高，漩渦變?yōu)樨炌ㄐ偷奈鼩饴┒?，至S=20.10 m時，貫通型的吸氣漏斗式漩渦最強烈，在進口內伴有吸氣聲音，進口上游水面有明顯波動，影響進口及洞內水流的流態(tài)；隨著庫水位的升高，進口上游水面波動逐漸變弱，進口前開始出現間斷的貫通型吸氣漩渦，至S=33.35 m時，間斷型的吸氣漩渦基本消失，庫水位達883.35 m以上時，進水口周圍的水面平穩(wěn)。進口引渠為涵洞形式：當庫水位達到859.78 m及以上時，導流洞進口水流流態(tài)變?yōu)閴毫α?；S=14.59 m時，涵洞進口前水流開始產生吸氣漏斗，隨著庫水位的繼續(xù)升高，漩渦變?yōu)樨炌ㄐ偷奈鼩饴┒?，至S=26.50 m時，貫通型的吸氣漏斗最強烈，在進口內伴有吸氣聲音，進口上游水面有明顯波動，影響進口及

洞內的水流流態(tài)；隨著庫水位的升高，進口上游水面波動逐漸變弱，進口前開始出現間斷的貫通型吸氣漩渦，至S=38.39 m時，間斷型的吸氣漩渦基本消失，涵洞進口周圍的水面平穩(wěn)。對以上兩種引渠形式，在壓力流狀態(tài)下，進口前水流均會產生漩渦，區(qū)別是，導流泄洪洞引渠由明渠形式改為涵洞形式后水流產生的漩渦發(fā)展變得滯后了。

3　泄流量

如圖2所示，導流泄洪洞引渠為明渠形式時，試驗下泄流量值和設計下泄流量值接近，泄流能力基本滿足設計要求。

圖2　明渠形式庫水位-下泄流量曲線

由表1知，大壩度汛期50年一遇洪水時，試驗下泄流量與設計下泄流量之間的差值最大，試驗下泄流量較設計下泄流量小2.29%。

如圖3所示，導流泄洪洞引渠為涵洞形式，進口水流在壓力流狀態(tài)下，試驗下泄流量大部分值都比設計下泄流量值小，且隨著庫水位的升高，二者的差值有增大的趨勢。

表1　不同工況庫水位及相應泄流量

圖3　涵洞形式下庫水位-下泄流量曲線

由表1知，大壩度汛期50年一遇洪水時，試驗下泄流量較設計下泄流量小7.1%；大壩度汛期100年一遇洪水時，試驗下泄流量較設計下泄流量小6.35%；運行期100年一遇洪水時，試驗下泄流量較設計下泄流量約小6.51%；運行期2 000年一遇洪水時，試驗下泄流量較設計下泄流量約小6.95%。

4　流量系數

導流泄洪洞進口水流在壓力流狀態(tài)下，流量系數按如下公式計算：

(1)

式中：μ試驗為導流泄洪洞進口水流的流量系數，它是綜合反映水流能量損失和收縮程度的一個量；Q為下泄流量，m3/s；A為右岸導流泄洪洞控制斷面面積，A=5.5×5.5=30.25(m2)；g為重力加速度，g取9.8 m/s2；H為作用水頭，m，按庫水位減去右岸導流泄洪洞進口控制段壓坡末端頂高程855.50 m計算得到。

如圖4所示：進口水流在穩(wěn)定的壓力流狀態(tài)下流動時，導流泄洪洞引渠為明渠形式時，流量系數μ的范圍為0.862～0.892；導流泄洪洞引渠為涵洞形式時，流量系數μ的范圍為0.838～0.843。

圖4　流量系數-庫水位曲線

導流泄洪洞進口流量減小是由流量系數的減小導致的，依據公式為[3]

(2)

式中：ξ為局部阻力系數；l為底板長度，m；c為謝才系數；R為水力半徑，m。

導流泄洪洞引渠由明渠形式改成涵洞形式后，在壓力流狀態(tài)下，l增大，ξ中多出一項涵洞彎曲的局部阻力系數[4-5]。根據紅巖河水庫導流泄洪洞進口不加涵洞和加涵洞兩種形式下μ值的變化，可由式(2)推導出在導流泄洪洞進口增加一段45 m長的引渠涵洞后，ξ的增加量Δξ=0.078～0.150。

一般建議深式短管進口水流流量系數μ取為0.900[6]，筆者根據近年來自己所參與的工程實例，對其中的深式短管進口水流流量系數進行了統(tǒng)計，結果見表2。

由表2知，深式短管進口水流流量系數建議取值0.900是合適的。但是由于現實中各工程的地質等條件千差萬別，設計人員綜合考慮各種因素后所設計的導流泄洪洞進口在很多情況下不完全符合深式短管進口的條件。這時需要設計人員對μ的取值進行適當的修改，以保證工程的安全性和經濟性。由紅巖河水庫右岸導流泄洪洞、龍?zhí)端畮鞂Я餍购槎础⑼踣俣滤畮煨购榕派扯?、清原抽水蓄能電站下水庫泄洪放空洞這幾個工程實例數據(表2)表明：當進口為深式短管進口，進口前段沒有涵洞(或僅有導墻)時，進口水流流量系數建議取值0.900是合適的；但是，紅巖河水庫和煤窯溝水庫導流泄洪洞在進口前增加一段涵洞后，其進口水流流量系數均比深式短管進口流量系數建議取值小。

表2　深式短管進口水流流量系數統(tǒng)計

5　結語

1)導流泄洪洞進口引渠由明渠改成涵洞形式后，進口水流的流態(tài)沒有明顯改善，在壓力流狀態(tài)下，進口水流仍然產生漩渦，只是漩渦的產生和發(fā)展滯后了。

2)深式短管進口前沒有涵洞式引渠時，文獻[6]建議的水流流量系數取值0.900是合適的；但是，在進口加涵洞后，水流流量系數會有不同程度的減小，對水庫泄流能力產生了影響，將影響大壩的安全。在紅巖河水庫導流泄洪洞進口明渠改成涵洞形式后，在壓力流狀態(tài)下，進口局部水流的阻力系數增大0.078～0.150，導致進口水流的流量系數減小，水庫的下泄流量減小。

[1]王英奎．立軸漩渦的力學特性與防控措施研究[D]．北京：清華大學，2011．

[2]高傳昌，解克宇，黃丹，等．不同水位對泵站進水池流態(tài)影響的數值模擬[J]．華北水利水電大學學報(自然科學版)，2015，36(6)：10-14．

[3]馬文慧，付希文．在泄洪洞(方洞)泄量計算時對(μ)、(μ0)值的計算選擇探討[J]．吉林水利，2010(1)：36-38．

[4]付希文，張國東．泄洪洞(方洞)閘門局部開啟時流量系數μ0值的計算[J]．吉林水利，2009(12)：31-35．

[5]賀昌海，王新平．施工導流模型試驗中導流洞出口η值的研究[J]．水利與建筑工程學報，2009，7(2)：48-49．

[6]林繼鏞．水工建筑物[M]．北京：中國水利水電出版社，2009：395．

Experimental Study of Discharge Capacity of Intake with Pressure Short Pipe in Different Forms of Approach Channel

CHEN Xiaowei1, ZHENG Hongya2, ZHANG Zongxiao1, YAN Pei3

(1.School of Water Resources and Hydroelectric Enginering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China;2.The Construction Headquarters Office of Hongyanhe Reservoir Project of Binxian County, Xianyang 713500, China;3.Xianyang Research Institute of Water Conservancy and Hydropower Planning and Design, Xianyang 712000, China)

In order to study the effect of the approach channel form of intake changed from open channel into culvert on the discharge capacity of diversion spillway tunnel in Hongyanhe Reservoir, we respectively conducted hydraulic model tests to verify its hydraulic characteristics under the circumstances of two approach channel forms, open tunnel and culvert. The results show: compared with the open channel, the discharge capacity of the diversion spillway tunnel weakens at the same level in the form of culvert, and the phenomenon is obvious especially when the intake of diversion spillway tunnel is in a state of pressure flow, and the decrease value of discharge will increase with the increase of the reservoir level; the experimental value of discharge is 6.35% less than the design value when the flood of 100-year frequency (p=1%) occurs during the flood period of dam, 6.51% less than the design value whenp=1% during the operation period of dam, and 6.95% less than the design value when the flood of 2000-year frequency (p=0.05%) occurs during the operation period of dam. It is suggested that designers should attach importance to the decrease of discharge to avoid the impact due to the insufficient discharge capacity caused by the approach channel form of diversion spillway tunnel intake changed from open channel into culvert.

intake with pressure short pipe; discharge coefficient; discharge capacity; vortex; diversion spillway tunnel

2016-05-30

陳小威(1990—)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事水工水力學及多相流理論方面的研究。E-mail：cxw1582518455@163.com。

TV132

A

1002-5634(2016)04-0083-04

(責任編輯：杜明俠)

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2016.04.014