孔曉陽

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

新疆策勒縣奴爾水利樞紐工程表孔溢洪洞彎道急流控制方案研究

孔曉陽

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

通過對(duì)新疆策勒縣奴爾水利樞紐工程表孔溢洪洞彎道急流沖擊波控制方案的擬定和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比，總結(jié)出在彎道半徑一定、轉(zhuǎn)角一定的情況下，加寬過流斷面并在中部加設(shè)導(dǎo)流板將泄槽一分為二，讓水流各行其道，橫向不混摻的方法，能夠?qū)⒓绷鳑_擊波控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞：奴爾水利樞紐;溢洪洞;彎道急流沖擊波;實(shí)驗(yàn);導(dǎo)流板

1 工程概述

奴爾水利樞紐工程位于奴爾河中下游河段，位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)策勒縣境內(nèi)，工程至策勒縣城126 km，至和田市226 km。該工程是奴爾河上的控制性工程，是一座承擔(dān)灌溉、發(fā)電綜合利用任務(wù)的樞紐工程。水庫總庫容為0.69億m3，正常蓄水位為2 497.00 m，死水位2 465.00 m，電站總裝機(jī)容量為6.2 MW，多年平均年發(fā)電量為0.217億kWh。工程由攔河壩、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、表孔溢洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等組成。大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，最大壩高80 m。工程地震設(shè)防烈度為Ⅷ度。

表孔溢洪洞布置于左壩肩導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞的左側(cè)，由進(jìn)口引渠段、控制段、上平洞段、渥奇曲線段、斜井段、反弧段、下平洞段、陡坡擴(kuò)散段、消力池段及退水渠段組成。設(shè)計(jì)泄量89.56 m3/s，校核泄量147.65 m3/s，采用無壓泄流的形式，洞身單寬最大泄量38.86 m3/s。因受地形、整體樞紐布置限制，表孔溢洪洞必須設(shè)置彎道，將彎道設(shè)置在控制段后，渥奇曲線段前的上平洞。

2 彎道急流沖擊波

在無壓急流彎道中，由于凹岸邊壁向水流方向偏轉(zhuǎn)，水流的離心力和慣性作用便對(duì)邊墻產(chǎn)生沖擊力，邊墻對(duì)水流施加反作用力，迫使水流沿邊墻轉(zhuǎn)向，水流產(chǎn)生動(dòng)量變化，造成水面局部壅高。相反在凸岸，邊墻向水流外部偏轉(zhuǎn)，由于水流受邊墻的依托，水流擴(kuò)散，產(chǎn)生水面跌落。水流在彎道中運(yùn)行時(shí)，受慣性力影響產(chǎn)生水面橫比降與彎道環(huán)流，水流動(dòng)力軸線和縱向流速分布都產(chǎn)生不同程度的變化，平面上形成菱形的波。水面橫比降的形成造成了彎道凹凸岸水面縱比降及整個(gè)彎道水面形態(tài)的變化，從而導(dǎo)致了彎道水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整和流速的重新分布。

圖1 方案1平面縱斷面橫斷面圖 單位：高程，m；其它,mm

圖2 方案2平面橫斷面圖 單位：高程，m；其它,mm

圖3 方案3平面橫斷面圖 單位：高程，m；其它,mm

3 表孔溢洪洞彎道方案擬定

根據(jù)水利學(xué)理論分析和以往工程經(jīng)驗(yàn)，消除或減緩彎道急流沖擊波的控制措施主要有以下幾種：加大轉(zhuǎn)彎半徑、渠底橫向超高法、導(dǎo)流板法、復(fù)合曲線法和斜檻法等。因受地形、整體樞紐布置限制，表孔溢洪洞的軸線已經(jīng)不能調(diào)整，所以主要集中在導(dǎo)流板法和增加溢洪洞寬度的方法[2-4]。

3.1 方案1

3.2 方案2

在方案1的基礎(chǔ)上，在彎道泄槽中部加設(shè)導(dǎo)流板(中隔墻)，中隔墻厚0.5m，將泄槽一分為二，每個(gè)泄槽流道凈寬2.0m，讓水流各行其道，橫向不混摻，見圖2。

3.3 方案3

在方案1基礎(chǔ)上，將水平轉(zhuǎn)彎段隧洞泄槽斷面加寬加高，底寬6.0m，豎直墻高5.8m，槽中不設(shè)導(dǎo)流板，彎道仍為單一流道。同時(shí)，將其上游漸變段移至上平段下游，漸變段長(zhǎng)仍保持20m，泄槽寬度由6.0m縮至4.5m，豎直墻高由5.8m降至4.2m。

表孔自進(jìn)口以下依次為控制段、過渡段、水平轉(zhuǎn)彎段、上平洞段、漸變段和渥奇曲線段等，上平洞段及以上隧洞斷面泄槽寬度均為6.0m。

3.4 方案4

將水平轉(zhuǎn)彎段隧洞泄槽斷面加寬加高，底寬由4.2m加至6.0m，豎直墻高由4.2m加至5.8m。槽中設(shè)導(dǎo)流板，將彎道段泄槽均分為2個(gè)流道，導(dǎo)流板厚0.5m，單流道凈寬均為2.75m，兩股水流相對(duì)獨(dú)立不混摻。同時(shí)，將其上游漸變段移至上平段下游，漸變段長(zhǎng)仍保持長(zhǎng)20m，泄槽寬度由6.0m漸變至4.5m，直墻高度由5.8m降至4.2m。

圖4 方案4平面橫斷面圖 單位：高程，m；其它，mm

4 各方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)上述擬定的4個(gè)方案，采用水工正態(tài)模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，選擇出最優(yōu)的方案[5-7]。試驗(yàn)研究遵循重力相似準(zhǔn)則，并按幾何相似進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。模型幾何比尺Lr=40；時(shí)間比尺Tr=Lr1/2=6.325；速度比尺Vr=Lr1/2=6.325；流量比尺Qr=Lr5/2=10 119；糙率比尺nr=Lr1/6=1.849。模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的流量在校核洪水位時(shí)為151.61 m3/s，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)為98.48 m3/s。

4.1 方案1

各特征工況彎道沖擊波規(guī)律較為一致，彎道外側(cè)(凹岸)水面總體處于較高狀態(tài)。隨著下泄流量越大，彎道兩側(cè)水深同步增大，水面波動(dòng)越明顯，凹岸水面壅高較為明顯，局部超出直墻范圍，但最大橫向水面差基本不變。大流量是隧洞橫斷面設(shè)計(jì)的控制工況，如表孔溢洪洞2 000年一遇校核洪水運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)彎道左側(cè)水深4.56 m，超出直墻高度0.36 m，右側(cè)水深2.36 m，最大橫向水面差2Δh=2.2 m，橫比降為0.49，超高系數(shù)0.75～0.99。彎道沖擊波在其下游上平洞段引起菱形擾動(dòng)波，但沿流程總體呈衰減的趨勢(shì)，至0+124.30 m，沖擊波引起的水面差已不明顯。彎道內(nèi)最大、最小水深基本出現(xiàn)0+053.30 m處，而上平洞段最大、最小水深幾乎不出現(xiàn)在同一斷面，波峰波谷交替出現(xiàn),詳見表1。

4.2 方案2

加設(shè)導(dǎo)流板后，將彎道一分為二，單個(gè)流道凈寬2.0 m，泄槽寬度由原先的4.5 m減為2×2.0=4.0 m。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加設(shè)導(dǎo)流板后，彎道段兩側(cè)水深同步加深，水面線壅高較為明顯，但沖擊波引起的橫向水面差顯著降低，由方案1的2.2 m降為1.0 m，水面橫比降基本無變化。2 000年一遇校核洪水運(yùn)行時(shí)，彎道段水面基本均超出直墻高度，最大水深5.24 m，較方案1的4.56 m高出0.68 m，不能滿足有關(guān)規(guī)范要求。應(yīng)該指出的是，方案2彎道下游上平洞段泄槽沖擊波較方案1小，至上平洞末端水流已接近平順,詳見表2。

表1 方案1彎道段和上下游急流沖擊波水面線表

表3 方案3彎道段和上下游急流沖擊波水面線表

4.3 方案3

方案3將彎道段泄槽由4.5 m加寬至6.0 m，彎道急流水面波動(dòng)較為劇烈，彎道中部?jī)?nèi)側(cè)水深較淺，最小水深僅有0.9 m，斷面最大橫向水面差達(dá)3.5 m，橫比降為0.58。但彎道外側(cè)沖擊波波峰壅高值(最大水深)4.4 m，較方案1的4.6 m略有降低。

將漸變段移至上平段下游，由于距離彎道出口較近，且側(cè)壁收縮又產(chǎn)生沖擊波，漸變段末端水面有所壅高，實(shí)測(cè)最大水深4.0 m,詳見表3。

表2 方案2彎道段和上下游急流沖擊波水面線表

表4 方案4彎道段和上下游急流沖擊波水面線表

4.4 方案4

方案4將彎道段泄槽由4.5 m加寬至6.0 m，槽中加設(shè)導(dǎo)流板，泄槽一分為二。在水平轉(zhuǎn)彎段，由于泄槽加寬，并加設(shè)導(dǎo)流板，有效地控制并消減了沖擊波特性，2 000年一遇校核洪水沖擊波波峰最大水深為3.6 m，較方案1的4.6 m和方案3的4.4 m均有所降低。彎道段急流水面波動(dòng)有所減小，最大橫向水面差為2.0 m，橫比降為0.73。彎道段水流均未超出隧洞直墻高度，且留有較大富余，滿足隧洞橫斷面設(shè)計(jì)要求，詳見表4。

隧洞擴(kuò)寬并加設(shè)導(dǎo)流板后，水流出彎道后更為平順，沖擊波衰減較快，水面波動(dòng)較小，所以選擇方案4作為奴爾水利樞紐工程表孔溢洪洞急流彎道的設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié) 語

水利工程中的渠道、溢洪道、溢洪洞往往受地形、工程結(jié)構(gòu)、整體樞紐布置等因素的限制，在平面上難免要布置彎道。由于彎道水流受離心力和沖擊波的共同作用，從而使彎道段的水流流態(tài)變得非常復(fù)雜。新疆策勒縣奴爾水利樞紐工程表孔溢洪洞彎道急流沖擊波控制方案的研究，說明在彎道半徑一定、轉(zhuǎn)角一定的情況下，加寬過流斷面并在中部加設(shè)導(dǎo)流板將泄槽一分為二，讓水流各行其道，橫向不混摻的方法能夠?qū)⒓绷鳑_擊波控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。這種方法對(duì)其他工程彎道的設(shè)計(jì)具有很大的參考價(jià)值。

[1] 中華人民共和國水利部.溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范:SL253-2000[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[2] 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院.新疆奴爾水利樞紐泄水建筑物1:40水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].武漢：2015.

[3] 吳宇峰,伍超,李靜,葉茂,王波.較小半徑溢洪彎道急流超高的研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2006(06)：38-42.

[4] 張玉萍.彎道水力學(xué)研究現(xiàn)狀分析[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào),2000(05):35-39.

[5] 張領(lǐng)護(hù).溢洪道彎道急流沖擊波消減技術(shù)措施研究[D].陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2004.

[6] 田嘉寧.中等半徑大偏轉(zhuǎn)角彎道的水流特性[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002(01):28-32.

[7] 張銀華.彎道急流的改善措施研究[D].鄭州：鄭州大學(xué),2009.

Study on Scheme for Torrent Control at Curve Chute of Spillway Tunnel in Surface Outlet, Nuer Project

KONG Xiaoyang

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

Through the proposal of the control scheme and the comparison and verification experiments on the torrent shock wave at curve chute of the spillway tunnel in the surface outlet of Nuer project, it summarizes that, under the conditions of the given curve radius and turning angle, the torrent shock wave can be controlled within the designed allowable scope by application of widening the flowing section and installing deflector in the middle of the chute to split the chute into two so as to have the flow discharge separately and avoid the transverse mixing together. Key words: Nuer project; spillway tunnel; torrent shock wave at curve chute; experiment; deflector

1006—2610(2016)06—0031—05

2016-07-29

孔曉陽(1983- )，男，新疆烏魯木齊市人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作.

TV135

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.008