趙雪萍 李宜倫 趙玉良 李松平 袁群 賈文博 蘇曉玉

摘 要：為了驗(yàn)證前坪水庫(kù)泄洪洞原布置方案的合理性，根據(jù)弗勞德定律，采用1∶40的單體正態(tài)模型進(jìn)行試驗(yàn)，研究了泄洪洞各試驗(yàn)工況下的泄流能力、時(shí)均壓力分布、水面線及洞身余幅、消能防沖效果等。結(jié)果表明：前坪水庫(kù)泄洪洞泄流能力滿足要求;泄洪洞檢修閘門槽最小空化數(shù)1.23，大于閘門初生空化數(shù)0.7，閘門槽設(shè)計(jì)合理，滿足規(guī)范要求;泄洪洞洞身?yè)綒馑罹∮谥眽Ω叨?，洞身余幅均大?5%，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求;校核工況下，泄洪洞沖坑最深點(diǎn)高程為327.34 m，水流對(duì)下游山體造成一定的沖刷，需要對(duì)山體采取抗沖刷措施。

關(guān)鍵詞：模型試驗(yàn);泄流能力;水流空化數(shù);洞身余幅;沖刷坑;前坪水庫(kù)

中圖分類號(hào)：TV131.61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.025

引用格式：趙雪萍，李宜倫，趙玉良，等.前坪水庫(kù)泄洪洞泄流能力及沖刷消能試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2021，43（4）：134-136.

Abstract： In order to verify the rationality of the original layout scheme of the spillway tunnel of Qianping Reservoir， according to Froudes law， the discharge capacity， time average pressure distribution， water surface profile and residual amplitude of tunnel body， energy dissipation and scour prevention under various test conditions were studied by using a 1∶40 monomer normal model. The test results show that the discharge capacity of the spillway tunnel of Qianping Reservoir meets the requirements， and the minimum cavitation number of the maintenance gate slot of the spillway tunnel is 1.23， which is 0.7 greater than that of the initial cavitation number. The gate slot design is reasonable and meets the requirements of the specification. The aerated water depth of the flood discharge tunnel body is less than the height of the vertical wall， and the residual amplitude of the tunnel body is more than 15%， which meets the design and specification requirements. Under the check condition， the elevation of the deepest point of the flood discharge tunnel is 327.34 m， and the water flow causes certain scouring on the downstream mountain， so it is necessary to take anti scouring measures for the opposite mountain.

Key words： model test; discharge capacity; water flow cavitation number; residual width of tunnel body; scour pit; Qianping Reservoir

1 工程概況

河南省前坪水庫(kù)位于洛陽(yáng)市汝陽(yáng)縣前坪村附近，是國(guó)家172項(xiàng)重大水利工程建設(shè)項(xiàng)目之一，水庫(kù)控制流域面積1 325 km2，總庫(kù)容5.90億m3，為Ⅱ等大（2）型工程。樞紐工程由主副壩、泄洪洞、溢洪道、輸水洞及消能防沖建筑物等組成。

泄洪洞布置在溢洪道左側(cè)，軸線總長(zhǎng)689 m，進(jìn)口洞底高程為360.00 m，進(jìn)口頂部為一橢圓形曲線（曲線方程為x2/7.52+y2/2.52=1），控制段采用閘室有壓短管式，閘孔尺寸為6.5 m×7.5 m（寬×高），洞身采用無壓城門洞形隧洞，斷面尺寸為7.5 m×8.4 m+2.1 m（寬×直墻高+拱高），洞身段長(zhǎng)度為518 m，出口消能方式采用挑流消能，鼻坎高程為351.75 m。設(shè)檢修閘門和工作閘門：檢修平板鋼閘門尺寸為6.5 m×8.7 m（寬×高），采用固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)啟閉;檢修門后設(shè)弧形工作鋼閘門，工作閘門孔口尺寸為6.5 m×7.5 m（寬×高），采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。為驗(yàn)證前坪水庫(kù)泄洪洞原設(shè)計(jì)體形布置方案的合理性，采用幾何比尺1∶40單體正態(tài)模型試驗(yàn)對(duì)前坪水庫(kù)泄洪洞的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并提出了泄洪洞原設(shè)計(jì)體形存在的問題和優(yōu)化方案，為該工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供可靠的理論依據(jù)。

2 模型制作及試驗(yàn)方案

2.1 模型制作

按弗勞德定律[1-3]設(shè)計(jì)模型，模型為正態(tài)模型，幾何比尺Lr=40，模擬范圍主要包括泄洪洞進(jìn)口部分庫(kù)區(qū)、引渠段、閘室段、洞身段、出口挑流消能段、下游主河槽及兩岸山體。模擬范圍為泄洪洞軸線進(jìn)口以上80 m處至挑流鼻坎以下200 m，總長(zhǎng)度890 m;為不影響泄洪洞進(jìn)口水流，模型寬度滿足水箱邊墻到泄洪洞進(jìn)口兩側(cè)寬度大于進(jìn)水口總寬4倍的要求;模型高度滿足校核洪水的超高控制要求。

根據(jù)糙率相似準(zhǔn)則[1-3]，泄洪洞進(jìn)口引水渠和出口翼墻用水泥砂漿抹面;泄洪洞進(jìn)出口和洞身采用有機(jī)玻璃制作;模型主河槽及兩岸山體采用水泥粗砂漿粉面拉毛。

2.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)的3種特征工況為：①50 a一遇洪水，庫(kù)水位417.20 m，設(shè)計(jì)流量1 334 m3/s;②500 a一遇（設(shè)計(jì)）洪水，庫(kù)水位418.36 m，設(shè)計(jì)流量1 350 m3/s;③5 000 a一遇（校核）洪水，庫(kù)水位422.41 m，設(shè)計(jì)流量1 402 m3/s。

3 水力特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 泄流能力

泄洪洞各特征工況下泄流能力試驗(yàn)結(jié)果見表1。工況①時(shí)泄洪洞試驗(yàn)流量為1 388 m3/s，比原設(shè)計(jì)值增加4.05%;工況②時(shí)泄洪洞試驗(yàn)流量為1 407 m3/s，比原設(shè)計(jì)值增加4.22%;工況③時(shí)泄洪洞試驗(yàn)流量為1 464 m3/s，比原設(shè)計(jì)值增加4.42%，由此可見泄洪洞的泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 水流流態(tài)及流速

當(dāng)水位高于360.00 m時(shí)，泄洪洞開始過流，水流緩慢平順通過閘室流向下游，水流經(jīng)過閘室以后在泄洪洞內(nèi)形成水躍。水躍隨著水位的升高旋滾逐漸加劇，并向下游推移（洞內(nèi)無水流封頂?shù)默F(xiàn)象）。當(dāng)水位上升至368.23 m時(shí)，水流經(jīng)挑流鼻坎挑流向下游。

試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，水位為367.50 m時(shí)，斜壓板末端與過閘水流完全接觸，頂板對(duì)過閘水流的約束作用開始顯現(xiàn)（見圖1）。當(dāng)水位繼續(xù)升高至374.80 m附近時(shí)，泄洪洞進(jìn)口塔架前方出現(xiàn)了直徑約0.6 m的逆時(shí)針間歇性游蕩旋渦，能看到明顯氣柱，隨著水位的上升，旋渦間斷不連續(xù)，時(shí)而出現(xiàn)時(shí)而消失。在水位升高至379.30 m附近時(shí)，旋渦直徑開始變小，僅表面下陷不再貫通，每次出現(xiàn)的間隔時(shí)間比較長(zhǎng)且迅速消失。水位升至385.33 m附近時(shí)，在塔架前方進(jìn)口右側(cè)間斷形成直徑約0.9 m的順時(shí)針游蕩旋渦，塔架前方左側(cè)偶爾形成直徑約0.5 m的逆時(shí)針游蕩旋渦，此時(shí)兩旋渦都不貫通僅表面下陷，并且兩旋渦時(shí)而并存，時(shí)而交替出現(xiàn)（見圖2）。水位升至389.20 m附近時(shí)，基本無旋渦，偶爾隨著進(jìn)口右側(cè)水體的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生順時(shí)針直徑不大于1 m的表層未貫通旋渦。水位升至395.95 m附近后，進(jìn)口表面水體沿塔架周圍順時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，無旋渦產(chǎn)生。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，水位為417.20 m時(shí)，洞內(nèi)流速范圍為17.97～27.09 m/s;水位為418.36 m時(shí)，洞內(nèi)流速范圍為19.84～27.88 m/s;水位為422.41 m時(shí)，洞內(nèi)流速范圍為20.80～28.55 m/s。最大流速出現(xiàn)在0+042斷面，為28.55 m/s;最小流速出現(xiàn)在0+575.60處，為13.70 m/s。

3.3 起挑、收挑

根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)可知，泄洪洞閘門在局部開啟和全部開啟的情況下，水流起挑前均在洞內(nèi)形成水躍，水躍強(qiáng)度較弱，躍后水深小，躍后水流并沒有封頂。泄洪洞起挑前洞內(nèi)流態(tài)見圖3。隨著閘門開度的增大，起挑、收挑水位逐漸降低，相應(yīng)的流量逐漸增大。閘門全開時(shí)，起挑水位為368.23 m，起挑流量為277.12 m3/s;收挑水位為366.44 m，收挑流量為222.36 m3/s。

3.4 動(dòng)水時(shí)均壓力

（1）頂板動(dòng)水時(shí)均壓力。泄洪洞進(jìn)口頂板動(dòng)水時(shí)均壓力在各種工況下變化趨勢(shì)基本一致，進(jìn)口頂板橢圓曲線段壓力緩慢下降，表現(xiàn)為水流收縮;壓板起始段壓力較大，表現(xiàn)為水流沖擊作用，壓力在該處變化大。各級(jí)工況下，除樁號(hào)0+000.50處出現(xiàn)負(fù)壓外，其余均為正壓，且隨著庫(kù)水位的升高壓力變化趨于平緩。工況①樁號(hào)0+000.50處頂板的負(fù)壓水頭為-3.73 m，工況②樁號(hào)0+000.50處頂板的負(fù)壓水頭為-3.17 m，工況③樁號(hào)0+000.50處頂板的負(fù)壓水頭為-3.01 m。

（2）閘門槽動(dòng)水時(shí)均壓力及水流空化數(shù)。泄洪洞檢修門槽寬3.0 m、深1.60 m，寬深比1.88;該門槽為Ⅰ型門槽，初生空化數(shù)為0.7。根據(jù)試驗(yàn)成果可知，實(shí)測(cè)的最小空化數(shù)為1.23，大于閘門初生空化數(shù)0.7，閘門發(fā)生空蝕破壞的可能性較小，閘門槽設(shè)計(jì)合理，滿足規(guī)范要求。

（3）底板動(dòng)水時(shí)均壓力。泄洪洞底板時(shí)均壓力在各級(jí)工況下，除樁號(hào)0+032處出現(xiàn)負(fù)壓外，其余均為正壓。工況①樁號(hào)0+032處底板的負(fù)壓水頭為-0.85 m，工況②樁號(hào)0+032處底板的負(fù)壓水頭為-1.01 m，工況③樁號(hào)0+032處底板的負(fù)壓水頭為-1.33 m。建議施工時(shí)嚴(yán)格控制閘室段的平整度[4-8]。

3.5 水面線及洞頂余幅

水流出有壓短管跌落后逐漸加速，水深沿程遞減。沿洞身?yè)綒馑頪9]最大值即余幅最小值位于洞出口前0+550斷面附近，工況①對(duì)應(yīng)最小余幅為22.26%，工況②對(duì)應(yīng)最小余幅為21.55%，工況③對(duì)應(yīng)最小余幅為19.29%。各工況下，泄洪洞洞身?yè)綒馑罹∮谥眽Ω叨?，洞身余幅均大?5%，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

4 沖刷消能研究

本試驗(yàn)為下游局部動(dòng)床試驗(yàn)，采用巖塊幾何縮制法與抗沖流速相似法相結(jié)合的綜合模擬方法。覆蓋層根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣篩分試驗(yàn)結(jié)果采用幾何縮制法來模擬;基巖模擬根據(jù)抗沖流速相似法確定基巖沖刷的模型砂[10-12]。模型砂粒經(jīng)Dm根據(jù)基巖的抗沖流速Vp確定（下標(biāo)p表示原型、m表示模型），Vp=（5～7）D0.5p或Vm=（5～7）D0.5m、Vm=Vp/L0.5r。根據(jù)前坪水庫(kù)地質(zhì)資料，可以認(rèn)定泄洪洞軸線下游基巖巖性為輝綠巖，由《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》查得，原型抗沖流速為22 m/s，相應(yīng)的模型流速為3.48 m/s，基巖可采用對(duì)應(yīng)流速的散粒礫石體來模擬。

工況①泄洪洞挑距為44 m，泄洪洞沖坑最深點(diǎn)高程為329.50 m;工況②泄洪洞的挑距為46 m，泄洪洞沖坑最深點(diǎn)高程為329.18 m;工況③泄洪洞的挑距為48 m，泄洪洞沖坑最深點(diǎn)高程為327.34 m。

5 結(jié)論與建議

通過模型試驗(yàn)?zāi)M了前坪水庫(kù)泄洪洞水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，驗(yàn)證了泄洪洞各水力特性均滿足設(shè)計(jì)要求;通過下游沖刷試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水流對(duì)下游山體造成一定的沖刷，建議對(duì)泄洪洞出口下游山體采取防護(hù)措施;研究成果為該工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，南京水利科學(xué)研究院，長(zhǎng)江科學(xué)院.水工（專題）模型試驗(yàn)規(guī)程（SL 156～165—95）[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，1995：6-11.

[2] 黃倫超，許光祥.水工與河工模型試驗(yàn)[M].鄭州：黃河水利出版社，2008：27-32.

[3] 左東啟.模型試驗(yàn)的理論和方法[M].北京：水利電力出版社，1984：37-61.

[4] 詹雙橋，楊志明，鄭洪.“龍?zhí)ь^”泄洪洞高速水流摻氣減蝕研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2019（4）：133-138.

[5] 王新，李媛.水工混凝土高速水流空蝕破壞機(jī)制試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電，2019，45（10）：111-115.

[6] 高昂，吳時(shí)強(qiáng)，王芳芳，等.摻氣減蝕技術(shù)及摻氣設(shè)施研究進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展，2019，39（2）：86-94.

[7] 曾敏，田淳.齒墩狀內(nèi)消能工的消能和脈動(dòng)壓力模型試驗(yàn)[J].人民黃河，2014，36（4）：102-107.

[8] 李松平，趙玉良，趙雪萍，等.河口村水庫(kù)泄洪洞水工模型試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2015，37（1）：119-129.

[9] 王俊勇.明渠高速水流摻氣水深計(jì)算公式的比較[J].水利學(xué)報(bào)，1981，12（5）：48-52.

[10] 戴梅，何世堂，陳新橋.用原型允許流速模擬巖基沖刷方法的探討[J].水利水電技術(shù)，2005，24（4）：91-92.

[11] 夏維洪.基巖沖刷的模型相似問題[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，25（1）：67-72.

[12] 趙雪萍，趙玉良，李松平.燕山水庫(kù)整體水工模型試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2009，31（9）：124-127.

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