明流泄洪洞彎道水流特性試驗研究

劉小良，王鑫，姚凱，張朋鶴，楊讓瑕

（1. 銅川市龍?zhí)端畮旖ㄔO管理處，陜西銅川 727031；2. 西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048；3. 楊凌區(qū)住房建設局，陜西 楊凌 712100）

泄洪洞作為一種泄水建筑物在水利樞紐工程中普遍存在，在實際水利工程中，泄洪洞一般為直洞，這樣可以節(jié)省工程量，減小工程造價。但有些情況下，因為地質(zhì)、地形、工程結構等條件的限制，泄洪洞必須設計成含有彎道的形式，以便于充分利用地形，方便工程設計施工。但隨之出現(xiàn)的明渠高速水流，特別是泄洪洞彎道高速水流對水工建筑物影響問題也就更為突出。參考國內(nèi)外工程實例可知，目前在解決該問題方面一般采用兩種方法：一種是施加側向力；一種是干擾處理。具體方法為：渠底超高法、復曲線法、斜坎法等，由于本工程已建，渠底超高法和復曲線法并不適用，因此本試驗針對斜坎法做了模型試驗研究，并對所出現(xiàn)的問題進行了研究與探討。

1 彎道的基本情況

本文結合我國某水庫導流泄洪洞彎道進行了水工模型試驗。該水庫導流泄洪洞布置在河道右岸，采用無壓洞方案。泄洪洞為圓拱直墻型明流洞，洞身總長度492 m，斷面尺寸為4.5 m×7.3 m（寬×高），底坡i=0.01，放水塔進口底板高程為680 m，彎道進口底板高程為678.929 m，洞出口采用挑流消能。水庫正常蓄水位為711.591 m；設計洪水位714.76 m，下泄流量322.0 m3/s；校核洪水位719.94 m，下泄流量346.74 m3/s。彎道段詳圖如圖1所示。

2 模型設計

根據(jù)試驗任務要求，本模型按重力相似準則設計，選用幾何比尺為1∶36。模型采用無色透明的有機玻璃精制而成，糙率約為0.008，通過糙率比尺換算成原型糙率約為0.014 5，接近混凝土的糙率0.014～0.015，基本滿足原型泄洪洞表面的糙率要求。

圖1 泄洪洞彎道段布置圖及測壓孔位置圖Fig. 1 The arrangement of the spillway tunnel curve segment and the pressure measuring point

圖2 導流泄洪洞不同開度下庫水位和泄流量關系曲線Fig. 2 The relationship curve of reservoir water level and discharge with different openings of the diversion gate

3 彎道的過流條件

本次試驗進行了工作閘門3.2 m全開運行工況下泄量的率定，同時還率定了弧形工作閘門局開，開度分別為0.8 m、1.6 m、2.4 m、2.8 m等4個開度下泄流量的率定工作。實測庫水位為設計洪水位714.76 m時，導流泄洪洞實測下泄流量321.55 m3/s；庫水位為校核洪水位719.94 m時，導流泄洪洞實測下泄流量為343.34 m3/s。根據(jù)下泄流量及彎道進口斷面實測水深值，估算得出閘門3.2 m全開時彎道進口斷面平均流速在19.05～22.08 m/s范圍內(nèi)，閘門2.8 m局開時流速在19.92～21.44 m/s范圍內(nèi)，彎道進口斷面水流流速基本在20 m/s左右，處于高速水流研究的主要范疇。該工程明流泄洪洞的水流為高速水流，遇有彎道，將產(chǎn)生沖擊波等問題，直接影響泄洪洞的安全運行。對于彎道下急流怎么控制，需要采取哪些措施，這是本試驗所要研究的內(nèi)容。

4 彎道的水流特性

4.1 彎道段的水深及流態(tài)

試驗測量了原設計閘門3.2 m全開時特征庫水位下彎道段的水面線；不同庫水位下閘門全開時彎道外側最高水深與彎道內(nèi)側最低水深試驗結果見圖3；不同庫水位下閘門全開時彎道外側最高水深與彎道內(nèi)側最低水深差值試驗結果見圖4；并對水流流態(tài)進行了觀察，水流流態(tài)見圖5，結果顯示：各特征庫水位下，水流在進入彎道段時，受彎道曲率半徑的影響，在樁號0+108.68處凹岸水面開始升高，凸岸水面開始降低，水面產(chǎn)生橫向坡度；在樁號0+130.28處，水面高差達到最大。實測下泄設計校核洪水時，彎道外側最大水深超過7.3 m，水流翻越洞頂，在彎道下直洞段產(chǎn)生麻花水流，流態(tài)極差，有可能影響工程安全運行。同時觀測得出閘門2.8 m局開時特征庫水位下彎道的水面線和水流流態(tài)與閘門3.2 m全開時類似（見圖6），下泄設計校核洪水時，彎道外側最大水深在6.3～6.6 m，水流并沒有翻越洞頂，但仍在彎道下直洞段產(chǎn)生折沖水流，相對閘門3.2 m開度流態(tài)有好轉(zhuǎn)，但仍然很差。

圖3 閘門全開彎道外側最高與內(nèi)側最低水深隨庫水位變化曲線Fig. 3 The curve of the lateral and medial depths varying with the reservoir water level when the gate is 3.2 mfull open

圖4 閘門全開彎道外側最高與內(nèi)側最低水深差值隨庫水位變化曲線Fig. 4 The curve of differences of the lateral and medial depths varying with the reservoir water level when the gate is 3.2 m full open

圖5 設計洪水位下泄洪洞3.2 m全開彎道段水流流態(tài)Fig. 5 The flow regime of the curve section when gate opening full 3.2 m under the design flood level

在離心力作用下，彎道中水流表面形成從凹岸向凸岸傾斜的橫向水面坡度。橫向水面高差的計算采用《水力學》中的公式:

式中，r1，r2分別為彎道凸岸和凹岸的曲率半徑；v為斷面的平均流速。

張玉萍[1]提出：因彎段前直段水流的慣性作用頂沖凹岸時，有部分動能轉(zhuǎn)化為勢能而使凹岸水面升高一定數(shù)值，高速水流下，該值不可忽略。頂沖水流的橫向分速vcos β的部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽苁顾簧咧禐?

式中，β為進口直段軸線與彎段凹岸交點法線的交角，本工程為73°；λ為系數(shù)，近似取為1；v為斷面的平均流速。

根據(jù)上述公式，分別估算了泄洪洞閘門3.2 m全開和2.8 m局開下各特征洪水情況下彎道的橫向水面高差，閘門3.2 m全開時水面差計算值在4.72～6.33 m內(nèi)，實測值在5.2～6.25 m內(nèi)，閘門2.8 m局開時計算值在5.11～5.98 m內(nèi)，實測值在5.0～5.87 m內(nèi)。實測值與理論計算值相差不大。

4.2 彎道段的壓強

由量測結果可知，隨著庫水位升高，彎道段壓強也隨之增大。各庫水位下，彎道段凸岸側壁壓強沿程減小，之后隨著水深逐漸升高，壓強隨之增大。彎道段凹岸側壁壓強沿程增大，之后隨著水深逐漸降低，壓強隨之減小，凹岸側壁最大壓強出現(xiàn)于0+119.48斷面附近，因彎道段前直段水流在慣性作用下頂沖于凹岸0+119.48斷面附近，使得部分動能轉(zhuǎn)為勢能。各庫水位下，彎道段底板和側壁壓強均為正值，未測到負壓，盡管流態(tài)很差，但不能斷定邊壁一定會破壞。

由于泄洪洞已經(jīng)建成，要想通過改變泄洪洞尺寸及改變彎道曲率半徑來解決彎道存在的問題并不現(xiàn)實，因此優(yōu)化只能在既定條件下進行。參考國內(nèi)外已建工程的工程經(jīng)驗，經(jīng)過分析研究，提出如下方案進行研究。

4.2.1 彎道段加設斜導流坎

斜坎[2]是一種小型導流結構，其作用是改變彎道底部部分水流的方向，使部分水流從凹岸流向凸岸，達到凹岸和凸岸水流水深平衡。本模型分別做了矩形和梯形斜導流坎的模型試驗。試驗方案為：從彎道進口到彎道末端加設5道斜導流坎，兩坎間距7.0 m，坎高0.25 m，斜導流坎和導線夾角為45°。斜坎型式具體布置如圖7所示。

圖7 矩形和梯形斜導流坎（單位：mm）Fig. 7 Rectangle oblique ridge and keystone oblique ridge（unit: mm）

實測加設斜導流坎后，水流流經(jīng)彎道時，彎道內(nèi)側水深相對增高，彎道水面差大為減小。水流流態(tài)變好，下直洞段折沖水流明顯減輕。對于彎道水流流態(tài)的改善，經(jīng)比較，矩形斜導流坎優(yōu)于梯形斜導流坎。但進一步試驗發(fā)現(xiàn)，加設斜導流坎后，在斜坎的右邊側壁、坎后底板和導流坎頂部均有出現(xiàn)負壓的情況，且負壓值很大，實測加設矩形斜坎后，在第二道導流坎后導流洞右側壁測點出現(xiàn)最小壓強，其模型值為－0.57×9.8 kPa；加設梯形斜坎后，在梯形斜導流坎的頂部出現(xiàn)最小壓強，其模型值為－0.45×9.8 kPa，由于負壓值很大，容易出現(xiàn)空化水流問題。因此，該方案不能采用。

4.2.2 限制下泄流量

導流泄洪洞閘門下壓至2.8 m開度，泄流量較閘門全開3.2 m泄量要小，下泄最大流量由346.74 m3/s減小到266.68 m3/s。由于流速在20 m/s左右，彎道段最大水面差仍很大，同一斷面實測最大水面差為5.87 m，下直洞段的折沖水流仍很嚴重，流態(tài)仍較為紊亂，但相比較閘門3.2 m全開工況，彎道水流和折沖水流明顯減弱。

5 結論

通過對泄洪洞明流高速彎道水流的研究，得出：

1）彎道水流流態(tài)及下直洞段的折沖水流流態(tài)很差；2）彎道水流使得彎道段和下直洞段過水斷面尺寸偏小，在試驗中對其采用工程措施進行了完善。

明流泄洪洞水流在彎道的作用下，凸岸水位降低，凹岸水位升高，嚴重時會引起凹岸水流翻越洞頂。因此，對高流速明流泄洪洞，工程一般不選擇彎道布置。如果彎道布置難以避免，在設計彎道時應注意高速水流所引起的彎道水流問題。

由于本工程已建成，擴大斷面不易實現(xiàn)，因此在彎道加5道矩形或梯形斜導流坎，彎道段和下直洞段流態(tài)有較大改善，但在斜導流坎的右邊側壁、導流坎后面的底板和導流坎的頂部出現(xiàn)負壓，且負壓值很大。工程最終采用限制泄洪洞下泄最大流量，限制閘門開度，水流流態(tài)得到了改善。

[1] 張玉萍. 彎道水力學研究現(xiàn)狀分析[J]. 武漢水利電力大學學報，2000，33（5）：35-39，80.ZHANG Yuping. Simple analysis of present situation of bend channel hydraulics research[J]. Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electrical Engineering，2000，33（5）：35-39，80（in Chinese）.

[2] 劉小江，鄧軍，張葉林，等. 高速明流轉(zhuǎn)彎水力學問題解決方案[J]. 西南交通大學學報，2012（5）: .LIU Xiaojiang，DENG Jun，ZHANG Yelin，et al. Discussion of the solution on the hydraulic problem of turning and high-speed open flow[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2012（5）:（in Chinese）.