導(dǎo)流泄洪洞水力分析計(jì)算與試驗(yàn)研究

張紅武

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 導(dǎo)流泄洪洞過流能力計(jì)算

導(dǎo)流泄洪洞在工程施工期間用于導(dǎo)流，工程完建后用于泄洪，在實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)明流和有壓流兩種工況，計(jì)算時(shí)應(yīng)按兩種工況分別進(jìn)行。有壓流時(shí)泄流量由出口閘門控制，出口工作閘門局部開啟時(shí)，采用閘孔出流公式及有壓洞泄流公式分別計(jì)算不同水位、開度及所對(duì)應(yīng)的流量值。

1.1 工程實(shí)例

某水電站有一內(nèi)徑8 m、長686.72 m的導(dǎo)流泄洪洞，其主體建筑物由引渠段、進(jìn)水段、進(jìn)水閘室段、進(jìn)口漸變段、洞身段、出口漸變段、出口閘室段、挑流消能段及出水渠段組成。引渠段長7.72 m，梯形斷面與水流進(jìn)口相接處底寬15.9 m；進(jìn)水段全長18.7 m，進(jìn)口喇叭段長8 m，三面收縮，頂板和兩側(cè)墻均為1/4橢圓曲線；進(jìn)水閘室段為豎井式進(jìn)水塔；進(jìn)水漸變段全長30 m，由8 m×8 m的矩形斷面漸變?yōu)橹睆? m的圓形斷面；洞身段為直徑8 m的圓形斷面，全長500 m，底坡1/200；出口漸變段全長20 m，由直徑8 m的圓形斷面漸變?yōu)?.0 m×6.5 m的矩形斷面，底坡0；出口閘室段全長26 m，閘孔凈尺寸7.0 m×6.5 m，底板相對(duì)高程-2.5 m；消能段全長30 m，排角20°，底寬從7 m漸擴(kuò)至11.2 m；出水渠段全長46 m，底坡1/50。

1.2 導(dǎo)流泄洪洞過流能力水力學(xué)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，庫水位為814.00 m時(shí)，襯砌前后的導(dǎo)流泄流能力分別為612.36 m3/s，402.86 m3/s；設(shè)計(jì)洪水位854.22 m及校核洪水位859.60 m時(shí)，襯砌后的有壓流泄流能力分別為942.74 m3/s，998.32 m3/s。

2 過流能力試驗(yàn)驗(yàn)證

以某水電站為原型，用幾何比尺λL=40做水工模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 模型試驗(yàn)測(cè)得的庫水位與泄量關(guān)系

分析表1成果可知，流量為500 m3/s時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相同，流量小于500 m3/s時(shí)，實(shí)測(cè)庫水位略高于水力學(xué)計(jì)算結(jié)果，流量大于500 m3/s時(shí)，試驗(yàn)得出的庫水位略低于水力學(xué)計(jì)算結(jié)果。

3 壓坡線水力計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 壓坡線水力計(jì)算

計(jì)算壓坡線時(shí)，應(yīng)首先算出泄洪洞各壓段的沿程水頭損失和局部水頭損失。計(jì)算得設(shè)計(jì)洪水位為854.22 m時(shí)，對(duì)應(yīng)泄量為942.74 m3/s；校核洪水位為859.60 m時(shí)，對(duì)應(yīng)泄量為998.32 m3/s；汛限水位為848.00 m時(shí)，對(duì)應(yīng)泄量為874.02 m3/s。

在此三種工況下，計(jì)算得到的壓坡線見表2。

表2 壓力洞段壓坡線計(jì)算成果表 單位：m

從表2可以看出，汛限水位848.00 m的情況為最不利運(yùn)行條件，導(dǎo)流泄洪洞洞頂以上壓力水頭2.46 m大于2 m，滿足規(guī)范要求。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)得到的壓坡線與表2計(jì)算的壓坡線基本一致，最不利運(yùn)行條件較為吻合，且測(cè)壓管水頭值均高于洞頂高程2 m以上，符合規(guī)范要求。

4 挑流消能計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 總挑距和沖坑深度計(jì)算

總挑距為鼻坎至下游水面的挑距和水面以下水舌長度的水平投影之和。

經(jīng)計(jì)算，校核流量下的總挑距為128.42 m，沖坑厚度44.01 m。而下游水深為2 m，故得沖坑深度為42.01 m，由此計(jì)算得沖坑壓坡為1/3.06，在允許壓坡范圍內(nèi)，沖坑不會(huì)危及洞身安全。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)得到的校核流量下的挑距為38.8 m，而挑坎出口后的出水渠段長為46 m，即該挑流水舌的落點(diǎn)在出水渠段內(nèi)而達(dá)不到下游河床，故無挑距和沖坑深度。比較計(jì)算得到的68.14 m，比試驗(yàn)得到的38.8 m大得多，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮這一因素。

5 結(jié)論

綜上所述，本文論述的導(dǎo)流泄洪洞過流能力和壓坡線計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相符；挑流消能的計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果大得多，根據(jù)相關(guān)工程的試驗(yàn)資料、原型觀測(cè)值與計(jì)算值的大小情況，究其原因除挑流水舌表面與挑坎挑射角度不同外，最重要的因素是水舌在空氣中的摻氣擴(kuò)散作用，二者差異的不確定性在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)慎重考慮，確保工程建成后安全運(yùn)行。