不同引渠形式下深式短管進(jìn)口泄流能力的試驗(yàn)研究

陳小威， 鄭宏雅， 張宗孝， 嚴(yán)培

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048; 2.彬縣紅巖河水庫(kù)工程建設(shè)指揮辦公室，陜西 咸陽(yáng) 713500； 3.咸陽(yáng)市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

?

不同引渠形式下深式短管進(jìn)口泄流能力的試驗(yàn)研究

陳小威1， 鄭宏雅2， 張宗孝1， 嚴(yán)培3

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048; 2.彬縣紅巖河水庫(kù)工程建設(shè)指揮辦公室，陜西 咸陽(yáng) 713500； 3.咸陽(yáng)市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

為研究紅巖河水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞深式短管進(jìn)口引渠形式由明渠改成涵洞后對(duì)其泄洪能力的影響，對(duì)其在明渠和涵洞兩種形式下分別做水工模型試驗(yàn)，驗(yàn)證其水力特性。結(jié)果表明，較明渠形式，涵洞形式下的導(dǎo)流泄洪洞同水位下泄流量有不同程度的減小，下泄流量減小在導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口為壓力流狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)明顯，且減小值隨水位的升高而變大；大壩度汛期100年一遇洪水時(shí)，試驗(yàn)下泄流量較設(shè)計(jì)下泄流量約小6.35%；運(yùn)行期100年一遇洪水時(shí)，試驗(yàn)下泄流量較設(shè)計(jì)下泄流量約小6.51%；運(yùn)行期2 000年一遇洪水時(shí)，試驗(yàn)下泄流量較設(shè)計(jì)下泄流量約小6.95%。建議在將紅巖河水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞深式短管進(jìn)口引渠由明渠改成涵洞形式后，需關(guān)注導(dǎo)流泄洪洞的下泄流量減小問(wèn)題，避免由于水庫(kù)下泄流量不足引起的大壩安全問(wèn)題。

深式短管進(jìn)口；流量系數(shù)；泄流能力；漩渦；導(dǎo)流泄洪洞

導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口前段修建引渠可以改善水流直接從進(jìn)口涌入泄洪洞而帶來(lái)的不良流態(tài)問(wèn)題，但引渠內(nèi)的水流會(huì)帶來(lái)霧化現(xiàn)象，威脅進(jìn)口岸坡的穩(wěn)定。若將引渠由明渠改成涵洞形式，可改善泄洪洞流態(tài)和保證岸坡穩(wěn)定。但是通過(guò)模型試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在將導(dǎo)流泄洪洞引渠由明渠改成涵洞形式后，大壩的泄洪能力有所下降。大壩泄洪能力不足會(huì)威脅整個(gè)工程的安全，需要予以重視并提出合理的解決方案。文中依托紅巖河水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞水工模型試驗(yàn)，對(duì)其因進(jìn)口增加涵洞帶來(lái)的泄流能力減小問(wèn)題進(jìn)行研究。

1　工程概況

紅巖河水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞建筑物由進(jìn)口引渠段、放水塔、洞身段、拱涵段、出口明槽段、挑流鼻坎、護(hù)坦海漫段等部分組成。導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口原設(shè)計(jì)引渠為明渠形式，考慮到岸坡的穩(wěn)定性，施工前，設(shè)計(jì)人員將引渠由明渠形式改成涵洞形式，其平面布置如圖1所示。

圖1　引渠段平面布置

圖1中，進(jìn)口引渠(暗涵)段長(zhǎng)45.0 m，斷面形式為矩形，斷面尺寸8.06 m×9.00 m。引渠后設(shè)置放水塔，塔體長(zhǎng)25.3 m，塔內(nèi)設(shè)5.5 m×6.2 m的事故檢修閘門和5.5 m×5.5 m的工作弧門各一扇，工作弧門后為城門洞型洞身，斷面尺寸6.5 m×9.6 m。紅巖河水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口設(shè)計(jì)為深式短管形式。

2　進(jìn)水口流態(tài)

在水利工程的進(jìn)水口前，如導(dǎo)流洞、泄洪洞、水泵等進(jìn)口處，容易出現(xiàn)漩渦[1-2]。紅巖河水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)水口在壓力流狀態(tài)下，進(jìn)口前水流產(chǎn)生漩渦，使水流流態(tài)惡化。淹沒(méi)水深S為水位減去850.00 m(導(dǎo)流泄洪洞底板高程)所得。進(jìn)口引渠為明渠形式：當(dāng)S=10.85 m時(shí)，導(dǎo)流洞進(jìn)口前水流開(kāi)始產(chǎn)生吸氣漏斗，隨著庫(kù)水位的繼續(xù)升高，漩渦變?yōu)樨炌ㄐ偷奈鼩饴┒?，至S=20.10 m時(shí)，貫通型的吸氣漏斗式漩渦最強(qiáng)烈，在進(jìn)口內(nèi)伴有吸氣聲音，進(jìn)口上游水面有明顯波動(dòng)，影響進(jìn)口及洞內(nèi)水流的流態(tài)；隨著庫(kù)水位的升高，進(jìn)口上游水面波動(dòng)逐漸變?nèi)?，進(jìn)口前開(kāi)始出現(xiàn)間斷的貫通型吸氣漩渦，至S=33.35 m時(shí)，間斷型的吸氣漩渦基本消失，庫(kù)水位達(dá)883.35 m以上時(shí)，進(jìn)水口周圍的水面平穩(wěn)。進(jìn)口引渠為涵洞形式：當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到859.78 m及以上時(shí)，導(dǎo)流洞進(jìn)口水流流態(tài)變?yōu)閴毫α?；S=14.59 m時(shí)，涵洞進(jìn)口前水流開(kāi)始產(chǎn)生吸氣漏斗，隨著庫(kù)水位的繼續(xù)升高，漩渦變?yōu)樨炌ㄐ偷奈鼩饴┒?，至S=26.50 m時(shí)，貫通型的吸氣漏斗最強(qiáng)烈，在進(jìn)口內(nèi)伴有吸氣聲音，進(jìn)口上游水面有明顯波動(dòng)，影響進(jìn)口及

洞內(nèi)的水流流態(tài)；隨著庫(kù)水位的升高，進(jìn)口上游水面波動(dòng)逐漸變?nèi)?，進(jìn)口前開(kāi)始出現(xiàn)間斷的貫通型吸氣漩渦，至S=38.39 m時(shí)，間斷型的吸氣漩渦基本消失，涵洞進(jìn)口周圍的水面平穩(wěn)。對(duì)以上兩種引渠形式，在壓力流狀態(tài)下，進(jìn)口前水流均會(huì)產(chǎn)生漩渦，區(qū)別是，導(dǎo)流泄洪洞引渠由明渠形式改為涵洞形式后水流產(chǎn)生的漩渦發(fā)展變得滯后了。

3　泄流量

如圖2所示，導(dǎo)流泄洪洞引渠為明渠形式時(shí)，試驗(yàn)下泄流量值和設(shè)計(jì)下泄流量值接近，泄流能力基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2　明渠形式庫(kù)水位-下泄流量曲線

由表1知，大壩度汛期50年一遇洪水時(shí)，試驗(yàn)下泄流量與設(shè)計(jì)下泄流量之間的差值最大，試驗(yàn)下泄流量較設(shè)計(jì)下泄流量小2.29%。

如圖3所示，導(dǎo)流泄洪洞引渠為涵洞形式，進(jìn)口水流在壓力流狀態(tài)下，試驗(yàn)下泄流量大部分值都比設(shè)計(jì)下泄流量值小，且隨著庫(kù)水位的升高，二者的差值有增大的趨勢(shì)。

表1　不同工況庫(kù)水位及相應(yīng)泄流量

圖3　涵洞形式下庫(kù)水位-下泄流量曲線

由表1知，大壩度汛期50年一遇洪水時(shí)，試驗(yàn)下泄流量較設(shè)計(jì)下泄流量小7.1%；大壩度汛期100年一遇洪水時(shí)，試驗(yàn)下泄流量較設(shè)計(jì)下泄流量小6.35%；運(yùn)行期100年一遇洪水時(shí)，試驗(yàn)下泄流量較設(shè)計(jì)下泄流量約小6.51%；運(yùn)行期2 000年一遇洪水時(shí)，試驗(yàn)下泄流量較設(shè)計(jì)下泄流量約小6.95%。

4　流量系數(shù)

導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口水流在壓力流狀態(tài)下，流量系數(shù)按如下公式計(jì)算：

(1)

式中：μ試驗(yàn)為導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口水流的流量系數(shù)，它是綜合反映水流能量損失和收縮程度的一個(gè)量；Q為下泄流量，m3/s；A為右岸導(dǎo)流泄洪洞控制斷面面積，A=5.5×5.5=30.25(m2)；g為重力加速度，g取9.8 m/s2；H為作用水頭，m，按庫(kù)水位減去右岸導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口控制段壓坡末端頂高程855.50 m計(jì)算得到。

如圖4所示：進(jìn)口水流在穩(wěn)定的壓力流狀態(tài)下流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)流泄洪洞引渠為明渠形式時(shí)，流量系數(shù)μ的范圍為0.862～0.892；導(dǎo)流泄洪洞引渠為涵洞形式時(shí)，流量系數(shù)μ的范圍為0.838～0.843。

圖4　流量系數(shù)-庫(kù)水位曲線

導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口流量減小是由流量系數(shù)的減小導(dǎo)致的，依據(jù)公式為[3]

(2)

式中：ξ為局部阻力系數(shù)；l為底板長(zhǎng)度，m；c為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m。

導(dǎo)流泄洪洞引渠由明渠形式改成涵洞形式后，在壓力流狀態(tài)下，l增大，ξ中多出一項(xiàng)涵洞彎曲的局部阻力系數(shù)[4-5]。根據(jù)紅巖河水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口不加涵洞和加涵洞兩種形式下μ值的變化，可由式(2)推導(dǎo)出在導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口增加一段45 m長(zhǎng)的引渠涵洞后，ξ的增加量Δξ=0.078～0.150。

一般建議深式短管進(jìn)口水流流量系數(shù)μ取為0.900[6]，筆者根據(jù)近年來(lái)自己所參與的工程實(shí)例，對(duì)其中的深式短管進(jìn)口水流流量系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2知，深式短管進(jìn)口水流流量系數(shù)建議取值0.900是合適的。但是由于現(xiàn)實(shí)中各工程的地質(zhì)等條件千差萬(wàn)別，設(shè)計(jì)人員綜合考慮各種因素后所設(shè)計(jì)的導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口在很多情況下不完全符合深式短管進(jìn)口的條件。這時(shí)需要設(shè)計(jì)人員對(duì)μ的取值進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，以保證工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。由紅巖河水庫(kù)右岸導(dǎo)流泄洪洞、龍?zhí)端畮?kù)導(dǎo)流泄洪洞、王圪堵水庫(kù)泄洪排沙洞、清原抽水蓄能電站下水庫(kù)泄洪放空洞這幾個(gè)工程實(shí)例數(shù)據(jù)(表2)表明：當(dāng)進(jìn)口為深式短管進(jìn)口，進(jìn)口前段沒(méi)有涵洞(或僅有導(dǎo)墻)時(shí)，進(jìn)口水流流量系數(shù)建議取值0.900是合適的；但是，紅巖河水庫(kù)和煤窯溝水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞在進(jìn)口前增加一段涵洞后，其進(jìn)口水流流量系數(shù)均比深式短管進(jìn)口流量系數(shù)建議取值小。

表2　深式短管進(jìn)口水流流量系數(shù)統(tǒng)計(jì)

5　結(jié)語(yǔ)

1)導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口引渠由明渠改成涵洞形式后，進(jìn)口水流的流態(tài)沒(méi)有明顯改善，在壓力流狀態(tài)下，進(jìn)口水流仍然產(chǎn)生漩渦，只是漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展滯后了。

2)深式短管進(jìn)口前沒(méi)有涵洞式引渠時(shí)，文獻(xiàn)[6]建議的水流流量系數(shù)取值0.900是合適的；但是，在進(jìn)口加涵洞后，水流流量系數(shù)會(huì)有不同程度的減小，對(duì)水庫(kù)泄流能力產(chǎn)生了影響，將影響大壩的安全。在紅巖河水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口明渠改成涵洞形式后，在壓力流狀態(tài)下，進(jìn)口局部水流的阻力系數(shù)增大0.078～0.150，導(dǎo)致進(jìn)口水流的流量系數(shù)減小，水庫(kù)的下泄流量減小。

[1]王英奎．立軸漩渦的力學(xué)特性與防控措施研究[D]．北京：清華大學(xué)，2011．

[2]高傳昌，解克宇，黃丹，等．不同水位對(duì)泵站進(jìn)水池流態(tài)影響的數(shù)值模擬[J]．華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，36(6)：10-14．

[3]馬文慧，付希文．在泄洪洞(方洞)泄量計(jì)算時(shí)對(duì)(μ)、(μ0)值的計(jì)算選擇探討[J]．吉林水利，2010(1)：36-38．

[4]付希文，張國(guó)東．泄洪洞(方洞)閘門局部開(kāi)啟時(shí)流量系數(shù)μ0值的計(jì)算[J]．吉林水利，2009(12)：31-35．

[5]賀昌海，王新平．施工導(dǎo)流模型試驗(yàn)中導(dǎo)流洞出口η值的研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2009，7(2)：48-49．

[6]林繼鏞．水工建筑物[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2009：395．

Experimental Study of Discharge Capacity of Intake with Pressure Short Pipe in Different Forms of Approach Channel

CHEN Xiaowei1, ZHENG Hongya2, ZHANG Zongxiao1, YAN Pei3

(1.School of Water Resources and Hydroelectric Enginering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China;2.The Construction Headquarters Office of Hongyanhe Reservoir Project of Binxian County, Xianyang 713500, China;3.Xianyang Research Institute of Water Conservancy and Hydropower Planning and Design, Xianyang 712000, China)

In order to study the effect of the approach channel form of intake changed from open channel into culvert on the discharge capacity of diversion spillway tunnel in Hongyanhe Reservoir, we respectively conducted hydraulic model tests to verify its hydraulic characteristics under the circumstances of two approach channel forms, open tunnel and culvert. The results show: compared with the open channel, the discharge capacity of the diversion spillway tunnel weakens at the same level in the form of culvert, and the phenomenon is obvious especially when the intake of diversion spillway tunnel is in a state of pressure flow, and the decrease value of discharge will increase with the increase of the reservoir level; the experimental value of discharge is 6.35% less than the design value when the flood of 100-year frequency (p=1%) occurs during the flood period of dam, 6.51% less than the design value whenp=1% during the operation period of dam, and 6.95% less than the design value when the flood of 2000-year frequency (p=0.05%) occurs during the operation period of dam. It is suggested that designers should attach importance to the decrease of discharge to avoid the impact due to the insufficient discharge capacity caused by the approach channel form of diversion spillway tunnel intake changed from open channel into culvert.

intake with pressure short pipe; discharge coefficient; discharge capacity; vortex; diversion spillway tunnel

2016-05-30

陳小威(1990—)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事水工水力學(xué)及多相流理論方面的研究。E-mail：cxw1582518455@163.com。

TV132

A

1002-5634(2016)04-0083-04

(責(zé)任編輯：杜明俠)

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2016.04.014