泄洪隧洞水力特性試驗研究

范晏崗

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊　830000)

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泄洪隧洞水力特性試驗研究

范晏崗

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊830000)

摘要：高水頭大流量水電站泄洪消能問題一直是水利水電工程界關(guān)心的熱點和難點問題，泄洪隧洞是主要泄水建筑物之一。文章通過水工模型試驗方法，以某實際工程為例，開展泄洪隧洞水力特性試驗研究，研究水面線和流速等沿程變化情況、試驗值和計算值，并進(jìn)行相互對比驗證，研究成果為工程設(shè)計提供了重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：泄洪隧洞；水力特性；試驗；水面線；流速

0引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的快速發(fā)展，一大批水利水電工程已建或在建，并且在建與待建的一批大型水電站都屬于高壩范疇[1-2]。由于高壩建設(shè)普遍存在水頭高、流量大的技術(shù)特點，明流泄洪隧洞的水力學(xué)問題是高壩建設(shè)需要解決的一個重要問題[3-4]。文獻(xiàn)[5-7]分別采用三維數(shù)值模擬方法研究泄洪洞內(nèi)水流特性；文獻(xiàn)[8]對豎井式泄洪洞開展了理論研究，根據(jù)多座泄洪洞試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出旋渦豎井的相關(guān)水力學(xué)計算公式；文獻(xiàn)[9-11]分別對豎井旋流泄洪洞開展了三維數(shù)值模擬研究，對泄洪洞泄流能力等進(jìn)行了分析研究。

某大型水電站由于泄洪隧洞內(nèi)流速較高、紊動劇烈及水面波動大，對泄洪隧洞的安全運行存在威脅。因此，本文通過開展模型試驗研究，分析泄洪洞內(nèi)水面線及流速分布等水力特性，為泄洪隧洞的安全運行提供參考依據(jù)。

1試驗方法及模型制作

本文建立的水工模型采用重力相似準(zhǔn)則設(shè)計[11]，比例為1∶50，采用正態(tài)模型，模型范圍取庫區(qū)150 m，下游至出水渠130 m，模型糙率為0.007 8。模型中，上游庫區(qū)采用磚砌結(jié)構(gòu)，并涂抹水泥砂漿防止?jié)B水。泄洪隧洞進(jìn)口段與水庫邊墻齊平，有壓短管控制段、泄流隧洞段、明流泄槽段、消力池段及出口消能段底板，均采用10 mm厚PVC塑料板制作。為了便于流態(tài)觀察及水力參數(shù)測量，泄流隧洞段、明流泄槽段及出口消能段側(cè)墻均采用有機玻璃。根據(jù)測試需要，本研究從泄洪洞有壓短管出口至明流泄槽末端共布置24個監(jiān)測斷面，其中隧洞段布置17個斷面，明流泄槽段布置7個斷面，具體布置方式如圖1所示。

圖1　泄洪隧洞檢測斷面布置示意圖

模型全部制作安裝就位后，對各部尺寸、高程等進(jìn)行測量檢查。正式試驗前對模型進(jìn)行全面試水試驗，檢驗整個循環(huán)系統(tǒng)，對模型中的漏水、滲水部位進(jìn)行修整，為正式試驗做好準(zhǔn)備。

2試驗結(jié)果及分析

本文主要測試水利樞紐工程3個典型水位下的水力性能，其中包括校核洪水位993.35 m，設(shè)計洪水位992.66 m,正常蓄水位990 m。

2.1有壓短管的泄流能力研究

泄流試驗?zāi)康氖菣z驗在壓板控制下，有壓短管過流能力。試驗率定了弧形閘門全開時，不同庫水位情況下，各種庫水位-流量關(guān)系以及相應(yīng)流量系數(shù)，試驗結(jié)果見表1所列。

表1　有壓短管庫水位-流量關(guān)系

試驗結(jié)果表明,有壓短管在庫水位993.35 m時，實際過流能力為526.92 m3/s，實測泄流能力略大于設(shè)計計算泄流能力519.00 m3/s，誤差為1.5%，泄流能力滿足要求；在庫水位992.66 m時，實際過流能力為520.28 m3/s，實測泄流能力略大于設(shè)計計算泄流能力509.00 m3/s，誤差為2.2%，泄流能力滿足要求；在庫水位990.00 m時，實測過流能力為513.68 m3/s，實測泄流能力大于設(shè)計計算泄流能力499.00 m3/s，誤差為2.9%；在庫水位984.00 m時，實測過流能力為493.61 m3/s，實測泄流能力大于設(shè)計計算泄流能力476.00 m3/s，誤差為3.6%；充分表明在相應(yīng)庫水位下，實測流量均大于設(shè)計計算流量，但誤差均小于5%，符合實際工程要求，說明該有壓短管在各種水位標(biāo)準(zhǔn)下，泄流能力均能滿足要求。

2.2水面線與流速試驗研究

通過試驗觀測3種典型水位下沿程水深及斷面平均流速情況，結(jié)果見表2所列。表2中，典型水位1庫水位為993.35 m，流量為526.92 m3/s；典型水位2庫水位為992.66 m，流量為520.28 m3/s；典型水位3庫水位為990.00 m，流量為513.68 m3/s。

由表2可知，在庫水位993.35 m下，泄流隧洞中最大水深為3.95 m，小于相應(yīng)隧洞段高度7.0 m，隧洞高度滿足要求；明流泄槽段最大水深為3.70 m，小于相應(yīng)泄槽段側(cè)墻的高度7.5 m，泄槽邊墻高度滿足要求。所以本工程泄流隧洞段高度及明流泄槽段側(cè)墻高度足以滿足最大水位下最大水深要求，整個泄流隧洞及明流泄槽泄水能力滿足要求。

表2　典型水位下沿程水深

圖2所示給出了庫水位為992.66 m、流量為520.28 m3/s工況下有壓短管出口和反弧段末端出口斷面流速分布情況，可以看出，泄洪洞斷面平均流速沿程增加，從有壓短管出口至反弧段末端，斷面最大流速由36.5 m/s增大至41.8 m/s，水深逐漸變淺，斷面流速梯度明顯增大。

圖2斷面流速分布

2.3斷面流速試驗與理論值對比

本研究分別選取2種典型水位下，有壓短管出口(0+027.00 m)和反弧段末端(0+196.63 m)典型斷面進(jìn)行流速對比驗證。驗證過程中，將實測流速與流量計算流速對比，對比情況見表3所列。

由表3可以看出，實測斷面平均流速與反算平均流速吻合較好，反弧段末端處誤差大于有壓管出口，

這是由于反弧段末端流速較高，水位波動較大，準(zhǔn)確測試水深和流速分布難度較大，從而引起相對較大誤差，但斷面測試誤差均小于5%。

由此說明，本研究的測試數(shù)據(jù)可靠，能夠有效指導(dǎo)工程設(shè)計。

表3　斷面平均流速對比

3結(jié)論

(1) 在各種水位標(biāo)準(zhǔn)下，有壓短管泄流能力滿足要求。

(2) 各種典型水位下，泄流隧洞和明流泄槽邊墻高度滿足設(shè)計要求。

(3) 泄洪隧洞沿程斷面流速逐漸增加，反弧段末端流速最大值達(dá)到41.8 m/s。

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收稿日期：2016-02-26；修改日期：2016-03-16

作者簡介：范晏崗(1982-),男，四川南充人，新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局工程師．

中圖分類號：TV135.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0221-03