孫洪亮，陳益民，楊 飛，侯 博

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，311122，杭州）

白鶴灘水電站尾水隧洞較長，在左、右岸各布置4座圓筒形尾水調(diào)壓室。為節(jié)省工程投資，2～6號(hào)尾水隧洞末尾部分洞段由導(dǎo)流洞改建而成（見圖1），尾水隧洞采用緩坡段后接陡坡段（銜接段）、然后接平坡段（明滿流段）的布置方式（見圖 2），總長997.6～1744.9 m。

由于導(dǎo)流洞底板高程通常布置較高，所以低尾水位工況下，過渡過程中會(huì)發(fā)生明滿流現(xiàn)象。明滿流現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致尾水洞內(nèi)壓力劇烈變化，危害尾水系統(tǒng)的安全及輸水系統(tǒng)穩(wěn)定性，有必要對尾水隧洞的明滿流問題進(jìn)行深入研究。白鶴灘水電站尾水位較低時(shí)，導(dǎo)流洞改建段同樣存在明滿流現(xiàn)象，鑒于此，本文采用模型試驗(yàn)方法，對明滿流段的流態(tài)及體型優(yōu)化進(jìn)行了研究，從而減小尾水隧洞明滿流的影響，保證工程的安全運(yùn)行。

一、模型試驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y量

模型試驗(yàn)以6號(hào)水力單元尾水隧洞為研究對象，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用比尺1∶50的正態(tài)模型。模擬范圍包括460 m緩坡段、陡坡段（銜接段）、平坡段（明滿流段）及部分下游河道。尾水隧洞采用透明有機(jī)玻璃制作，出口明渠為鋼板制作，下游河道為PVC塑料板制作。

流量由電動(dòng)針閥控制，電磁流量計(jì)測量；沿程壓力采用脈動(dòng)壓力傳感器測量，布置了6個(gè)測點(diǎn)；水位采用精度0.1 mm的水位測針測量。由于試驗(yàn)為局部模型，過渡過程工況下，模型入口處流量由數(shù)值計(jì)算確定，然后將流量—時(shí)間過程線通過計(jì)算機(jī)編程的方式加載至電動(dòng)針閥控制器，保證與尾水隧洞來流條件相似。

圖1 輸水系統(tǒng)平面布置圖

圖2 輸水系統(tǒng)立面布置圖

2.典型試驗(yàn)工況

典型試驗(yàn)工況列于表1，其中工況1和2為低尾水位甩負(fù)荷和高尾水位增負(fù)荷2種典型工況，研究尾水隧洞明滿流流態(tài)、發(fā)展機(jī)理、壓力變化過程。甩負(fù)荷導(dǎo)葉采用13秒一段直線關(guān)閉，增負(fù)荷導(dǎo)葉采用30秒直線開啟。工況3和4為恒定流工況，主要研究低尾水位和高尾水位情況下明滿流段的流態(tài)，進(jìn)而對比進(jìn)行尾水出口形式結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

表1 非恒定流典型工況

表2 體型優(yōu)化對比試驗(yàn)方案

二、明滿流發(fā)展過程分析

工況1下，壓力測值如圖3所示，該工況下明滿流段始終為明流，關(guān)閉閥門后，明滿流結(jié)合點(diǎn)處（位于連接段）開始形成減壓波向下游傳播，隨后水體倒流，下游形成增壓波向上游傳播，由于減壓波和增壓波的疊加作用，明滿流段形成涌波；150秒后水面平穩(wěn)，涌波周期與尾水調(diào)壓室及尾水管檢修閘門室內(nèi)水位波動(dòng)周期相同，壓力測點(diǎn)1為銜接段起點(diǎn)，一直處于有壓狀態(tài)，受水擊壓力的影響，該部位局部壓力波動(dòng)相對劇烈，壓力波主要由水擊波和質(zhì)量波（水位波動(dòng)）疊加形成。工況2時(shí)，尾水位接近隧洞頂，閥門開啟7秒后第一個(gè)增壓波到達(dá)明滿流結(jié)合點(diǎn)處，16秒傳遞到尾水隧洞出口位置，隨后下游減壓波向上游傳遞，隨著上下游減壓波與增壓波疊加，形成涌浪，當(dāng)涌浪觸頂后，形成局部滯氣現(xiàn)象，同時(shí)伴隨強(qiáng)烈壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)測壓力如圖4所示，100秒后水面恢復(fù)平穩(wěn)。

從以上現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，尾水隧洞內(nèi)明滿流現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是負(fù)荷發(fā)生變化后，水流反復(fù)流動(dòng)引起方向相反的增壓波和減壓波疊加，進(jìn)而引起水面涌波，當(dāng)尾水位較高時(shí)，涌波會(huì)不時(shí)出現(xiàn)觸頂現(xiàn)象，形成封閉的氣囊，過渡過程中，封閉氣囊迅速被拉伸或壓縮，表現(xiàn)出壓力脈動(dòng)現(xiàn)象。許景賢認(rèn)為水位波動(dòng)過程中，導(dǎo)流洞頂部無足夠的進(jìn)排氣空間時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)現(xiàn)象。

明滿流段的水擊壓力會(huì)對尾水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)帶來一定的影響，工況2下，明滿流交替過程中，壓力波動(dòng)最大幅度達(dá)17 m左右，衰減較快，有壓流工況下的極值結(jié)果要小些，主要是由于尾調(diào)補(bǔ)水作用及波動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短，因而明滿流效應(yīng)對尾水隧洞襯砌段的影響較小，壓力也不會(huì)超過隧洞襯砌壓力的設(shè)計(jì)值73.5 m。

三、體型優(yōu)化研究

尾水隧洞出口和銜接段的布置對明滿流段的流態(tài)有重要影響，為確定合理的結(jié)構(gòu)布置方案，進(jìn)行了5種布置方案對比分析（見表2），通過方案1和2對比，優(yōu)化尾水隧洞出口體型。出口體型選擇兩種對比方案：平坡方案和逆坡堰方案，通過方案3、4和5對比優(yōu)化銜接段坡度。

恒定流為水力過渡過程的初始狀態(tài)，尾水隧洞出口型式對恒定流流態(tài)有重要影響，所以方案1和2試驗(yàn)工況為表1中恒定流工況3和4。銜接段坡度主要影響過渡過程流態(tài)，實(shí)驗(yàn)選取表1中雙機(jī)甩負(fù)荷工況5。

圖4 工況2壓力變化對比

1.尾水洞出口結(jié)構(gòu)研究結(jié)果

尾水洞出口設(shè)置逆坡堰和平坡方案下，低尾水位時(shí)將出口流態(tài)進(jìn)行對比。逆坡堰方案出口流態(tài)為跌水，下游庫水位對洞內(nèi)流態(tài)沒有影響。平坡方案出口水流紊動(dòng)較大，明滿流段流態(tài)受出口水流紊動(dòng)影響較大；另外平坡方案洞內(nèi)水深相對較小，過渡過程時(shí)明滿流起點(diǎn)會(huì)延伸至緩坡洞段，對機(jī)組穩(wěn)定影響相對較大。高尾水位時(shí)兩種方案差別較小，洞內(nèi)及出口水流平穩(wěn)。

尾水隧洞明滿流段水面線對比見圖5和6所示。當(dāng)下游尾水位較低時(shí)，逆坡堰雍高洞內(nèi)水位，與平坡方案相比，洞內(nèi)水面線平均高5.50 m左右，洞內(nèi)流態(tài)不受河道水位影響，眀滿流主要發(fā)生在平坡段，不會(huì)進(jìn)入緩坡段，影響范圍較小。隨尾水位升高，兩種方案水面線高差越來越小，達(dá)到一定高度，水面線基本相同。

綜上所述逆坡堰作用優(yōu)勢明顯，工程推薦采用逆坡堰方案。

2.銜接段坡度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)流態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)：銜接段坡度為5%時(shí)，閥門關(guān)閉后明流段水面出現(xiàn)涌波，明滿流結(jié)合點(diǎn)向上游最遠(yuǎn)傳播至緩坡段內(nèi)70 m處，明滿流現(xiàn)象相對劇烈，實(shí)測水頭損失為0.07 m；銜接段坡度為15%時(shí)，明滿流結(jié)合點(diǎn)保持在銜接段內(nèi)，向上游最遠(yuǎn)傳播至距銜接段起始點(diǎn)下游23 m處，明滿流現(xiàn)象相對緩和，實(shí)測水頭損失為0.14m；坡度為25%時(shí)，明滿流結(jié)合點(diǎn)保持在銜接段內(nèi)，向上游最遠(yuǎn)傳播至距銜接段起始點(diǎn)下游52 m處，明滿流現(xiàn)象最平緩，實(shí)測水頭損失為0.20 m。在低尾水時(shí)，銜接段坡度越大，銜接段的明滿流強(qiáng)度越弱，但水頭損失加大，逆向水流容易出現(xiàn)急流與臨界流現(xiàn)象，流態(tài)復(fù)雜，另外施工難度大；銜接段坡度較小時(shí)，水頭損失較小，但明滿流會(huì)進(jìn)入緩坡段，明滿流范圍較大，對機(jī)組穩(wěn)定性影響較大；當(dāng)坡度為15%時(shí)，明滿流分界點(diǎn)位置控制在銜接段，水頭損失相對較小，綜合考慮施工方便等因素，白鶴灘工程銜接段推薦采用坡度為15%的逆坡堰方案。

圖6 工況3時(shí)水面線對比

圖7 工況4時(shí)水面線對比