猴子巖水電站深孔泄洪洞水力特性深入研究

徐 威

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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猴子巖水電站深孔泄洪洞水力特性深入研究

徐 威

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文根據(jù)猴子巖水電站深孔泄洪洞水力學(xué)設(shè)計有關(guān)成果，結(jié)合招標(biāo)階段深化水力學(xué)物理模型試驗研究內(nèi)容，對需重點解決的高速水流水力特性問題進(jìn)行深入分析研究，揭示了不同摻氣坎體型、不同補氣設(shè)施體型下泄洪洞的水力特性，并結(jié)合猴子巖泄洪洞具體的工程特點和水流條件，提出了有針對性的技術(shù)解決方案和評價，在解決本工程摻氣減蝕問題的同時也為類似工程設(shè)計提供參考。

泄洪洞；水力特性；摻氣；洞頂余幅；壓強分布；補氣

0 前 言

猴子巖水電站具有“水頭高、泄量大、河谷窄、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點。泄洪建筑物布置受限于上游右岸磨子溝、下游左岸泥洛堆積體，各建筑物布置較為緊湊；其中，深孔泄洪洞布置于河道左岸，受地形條件限制軸線上必須設(shè)一道轉(zhuǎn)彎，故設(shè)計為有壓接無壓洞的布置型式，采用挑流消能；由進(jìn)水口、有壓洞段、工作閘室段、無壓洞段、明渠段、出口挑坎等組成，其中，工作閘室布置于有壓轉(zhuǎn)彎洞段之后。根據(jù)泄量分配設(shè)計及調(diào)洪演算成果，泄洪洞控制閘門尺寸設(shè)計為12 m×9 m(寬×高)，最大泄量2 987 m3/s，出口最大流速約42 m/s。

深孔泄洪洞擔(dān)負(fù)著工程重要的泄洪任務(wù)，使用頻率較高，且下泄流量大、水力學(xué)條件復(fù)雜，考慮到其能否安全可靠運行，將直接影響本工程土石壩樞紐的安全。因此，在可行性研究階段研究成果的基礎(chǔ)上，在招標(biāo)階段深入開展了1∶25的大比例水力學(xué)模型試驗深化研究，對猴子巖深孔泄洪洞水力特性進(jìn)行了進(jìn)一步試驗論證，為深孔泄洪洞的體型設(shè)計和安全運行提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。下面將主要結(jié)合設(shè)計分析及試驗成果中有關(guān)摻氣坎體型、洞頂余幅、流道壓強分布、補氣設(shè)施設(shè)置等研究內(nèi)容進(jìn)行分析論述。

1 試驗工況擬定

根據(jù)調(diào)洪演算成果及進(jìn)一步深入研究需要擬定的試驗工況及對應(yīng)泄量(計算成果)見表1。

表1 試驗工況

2 摻氣坎體型研究

2.1 摻氣坎體型初擬

根據(jù)泄洪洞摻氣減蝕需要，在無壓洞段共設(shè)置兩道摻氣坎，從上游到下游分別為1號、2號摻氣坎。根據(jù)原可研階段成果，2號摻氣坎在各種工況下均能充分摻氣，而1號摻氣坎在某些工況下?lián)綒庑Ч焕硐?，因此重點對1號摻氣坎進(jìn)行了優(yōu)化研究，通過模型試驗對6個摻氣坎體型組合方案進(jìn)行了深入試驗研究。具體體型參數(shù)見表2。

表2 摻氣坎體型參數(shù)

2.2 摻氣坎試驗成果及推薦體型

(1)方案一試驗發(fā)現(xiàn)該方案1號摻氣坎下積水較為嚴(yán)重，平均積水高度1.2 m，摻氣效果不理想。

(2)方案二是在方案一的基礎(chǔ)上將1號摻氣坎高度增加到1.75 m，其余尺寸不變，該體型摻氣效果有所改善，摻氣坎下平均積水高度1.0 m，空腔長度為25 m，坎下積水波動較大，偶爾與水舌底緣接觸，摻氣效果仍不理想。

(3)方案三將1號摻氣坎水平長度縮短為15 m，摻氣坎高度為1.75 m，實測結(jié)果表明，該體型摻氣坎下平均積水高度為0.8 m，空腔長度為28 m，積水沒有封閉通氣井，摻氣順暢。

(4)方案四將1號摻氣坎水平長度縮短為7.5 m，摻氣坎高度設(shè)為1.75 m。相對于方案三，該體型摻氣效果有顯著改善，在各主要工況，摻氣坎下無積水，摻氣空腔長度為40 m，泄洪洞底板雖有積水，但積水不影響摻氣。

(5)方案五中1號摻氣坎長度為7.5 m，高度減為1.5 m，摻氣坎下無積水，空腔長度25 m，泄洪洞內(nèi)流態(tài)基本穩(wěn)定，摻氣效果良好。該方案水深、壓強、摻氣濃度、洞頂余幅等水力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但因1號及2號摻氣坎較高(1.5 m)，坎上水流跌落后，水面波動較大，偶爾出現(xiàn)濺水打頂現(xiàn)象。另外，1號摻氣坎處的水流流速較大(最大為33 m/s)，F(xiàn)r較小(校核工況Fr=4.0)，1號摻氣坎后的側(cè)墻可能出現(xiàn)空蝕問題。

(6) 方案六著重解決方案五存在的主要兩個問題，首先解決既能很好解決摻氣問題又不至于帶來洞內(nèi)水流經(jīng)過摻氣坎后的較大波動問題，故研究將1號摻氣坎坎高降低為1.2 m，水平方向長保持7.5 m不變。同時，為了防止側(cè)墻空蝕問題，坎兩側(cè)設(shè)收縮式側(cè)摻氣坎，側(cè)摻氣坎高0.15 m，水平方向長7.5 m，平面收縮坡度1∶50；2號摻氣坎坎高降低為1.0 m，水平方向長20 m，無側(cè)摻氣坎。方案六摻氣坎體型參數(shù)詳見圖1及圖2，1號摻氣坎附近流態(tài)照片見圖3。

1號摻氣坎(單位：cm) 2號摻氣坎(單位：cm)

圖1 1號及2號摻氣坎縱剖面示意

圖2 1號摻氣坎側(cè)墻平面示意(單位：m)

(7)綜合上述試驗成果，方案六在之前多方案試驗成果的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)置底、側(cè)摻氣坎體型既很好的解決了1號摻氣坎由于Fr較小摻氣較困難的問題，同時，也最大限度的降低了坎高，避免了水流經(jīng)過摻氣坎后形成不利波動的問題。試驗結(jié)果表明，1號及2號摻氣坎摻氣順暢，坎下均無積水，泄洪洞內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，無水流沖頂現(xiàn)象，該方案作為推薦方案，后續(xù)研究內(nèi)容以方案六體型進(jìn)行。

3 泄洪洞摻氣水深及洞頂余幅研究

3.1 摻氣水深試驗及計算結(jié)果

在完成模型試驗水深實測后選取《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》推薦公式、王俊勇公式及按佛汝德數(shù)計算的經(jīng)驗公式對摻氣水深進(jìn)行了對比分析。對于猴子巖深孔泄洪洞模型試驗實測水深而言，水流經(jīng)過摻氣坎后，水體已充分摻氣，若按照模型實測水深為基準(zhǔn)計算摻氣水深，則得到的摻氣水深偏大，故采用能量方程逐段推求泄槽水深，作為計算摻氣水深的清水水深，并結(jié)合實測摻氣坎水舌軌跡計算摻氣水流水面線，進(jìn)而算出摻氣水流的洞頂余幅。采用上述三種方法計算校核洪水工況下(庫水位1845.41)的摻氣水深，計算成果詳見表3。從表中可以看出，三種公式計算出的摻氣水深及洞頂余幅差別較大，綜合各方面因素，選取《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》推薦公式計算結(jié)果進(jìn)行后續(xù)計算分析。

圖3 校核水位閘門全開工況1號摻氣坎流態(tài)

樁號/m實測水深/m計算清水水深/m流速/m·s-1摻氣水深/m《規(guī)范》公式王俊勇公式Fr公式備注389．68．18．130．711．69．28．6429．68．67．732．311．28．98．2449．69．157．632．812．310．09．3462．19．977．234．612．010．19．1474．69．777．135．111．89．68．91號摻氣坎位置487．19．167．035．610．58．37．6524．67．576．737．210．28．17．4549．67．456．538．311．08．98．2562．27．706．438．911．08．98．3574．77．066．438．910．98．88．22號摻氣坎位置612．47．56．240．19．77．77．06507．26．041．59．57．56．9662．47．15．942．29．47．46．8

3.2 洞頂余幅分析評價

根據(jù)試驗與計算結(jié)果分析：1號摻氣坎后因水面雍高，該處的實測水深(指水面到底板的垂直距離)最大，校核工況時為9.97 m；經(jīng)計算，在校核工況，1號摻氣坎后水面最高斷面水舌厚度(理論清水厚度)h為7.2 m，則摻氣后的水舌厚度ha=7.2×(1+1.4×34.6/100)=10.7 m，考慮水舌下緣約1.3 m的空腔高度，則水面到底板的距離為12.0 m，在不考慮底部摻氣空腔時對應(yīng)的面積洞頂余幅為20.5%，其余無壓洞段洞頂余幅大于20.5%，滿足《水工隧洞設(shè)計規(guī)范(DL/T 5195-2004)》的要求，泄洪洞斷面尺寸合適。

4 流道壓強分布規(guī)律

4.1 有壓轉(zhuǎn)彎段壓強分布

本泄洪洞有壓轉(zhuǎn)彎段為平面轉(zhuǎn)彎設(shè)計，深入研究試驗對不同工況下轉(zhuǎn)彎段兩側(cè)不同高程的時均壓強進(jìn)行了測量，分析由于平面轉(zhuǎn)彎對于結(jié)構(gòu)壁面壓力的影響。在各試驗工況下，有壓轉(zhuǎn)彎段的壓強范圍為(10.6 ～54.1)×9.81 kPa，閘門局開時壓強大，全開時壓強小；不同斷面頂部與底部壓差基本一致，約為13×9.81 kPa；由于有壓轉(zhuǎn)彎段左、右兩側(cè)因水流轉(zhuǎn)彎離心力的作用，存在一定的壓差，根據(jù)實測成果，兩側(cè)的最大壓差約為7.9×9.81 kPa，出現(xiàn)在校核及設(shè)計水位閘門全開工況。轉(zhuǎn)彎段后有壓洞段～工作門前水流調(diào)整是否充分，將直接影響門前、門后隧洞的抗蝕性能。

4.2 無壓洞段壓強分布

試驗實測了各工況下各部位的時均及脈動壓強，從實測成果可以看出，水舌入水點附近時均及脈動壓強相對較大，底板最大時均壓強為13.6 m，最大脈動壓強均方根為2.1 m。結(jié)合空腔長度測量結(jié)果，1號、2號摻氣坎后的水舌落點范圍分別為泄0+460 m～泄0+475 m及泄0+560 m～泄0+570 m。

5 泄洪洞補氣設(shè)施研究

5.1 補氣設(shè)施體型研究

可研階段在工作閘室右側(cè)布置一條4.5 m×6.0 m的圓拱直墻形補氣洞，1號、2號摻氣坎側(cè)面通氣井截面積均為1.6 m2。試驗測得補氣洞最大風(fēng)速為72.2 m/s，1號摻氣坎通氣井最大風(fēng)速為47.6 m/s。初步分析認(rèn)為風(fēng)速偏大，補氣洞及通氣井通氣面積宜適當(dāng)擴大。同時，由于水流通過摻氣坎后為拋射運動，若摻氣坎旁通氣窗采用矩形斷面形式，水舌在空中運動過程中軌跡會與斷面出現(xiàn)重疊部分，影響補氣效果，因此為適應(yīng)水舌軌跡，提出采用梯形斷面作為通氣窗的設(shè)計形式，補氣洞布置及摻氣坎通風(fēng)井設(shè)計簡圖見圖4～6。

圖4 補氣洞平面簡圖(除標(biāo)注外，其余單位：cm)

圖5 1號摻氣坎通氣井縱剖面示意(單位：cm)

圖6 2號摻氣坎通氣井縱剖面示意(單位：cm)

5.2 泄洪洞補氣設(shè)施有效性評價

優(yōu)化體型實測結(jié)果見表4，從表中可以看出，各補氣設(shè)施最大風(fēng)速為44.3m/s，補氣洞斷面設(shè)計合適。

表4 補氣洞實測風(fēng)速及通風(fēng)量

6 結(jié)束語

本文通過對深入模型試驗成果的整理，進(jìn)一步分析研究了猴子巖深孔泄洪洞的水力特性，對摻氣坎體型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，觀測了各工況下泄洪洞水流流態(tài)及摻氣空腔形態(tài)、實測了泄洪洞沿程水深、時均及脈動壓強、摻氣濃度、各通風(fēng)設(shè)施的風(fēng)速、風(fēng)量等參數(shù)，并結(jié)合猴子巖泄洪洞具體的工程特點和水流條件，提出了適應(yīng)水舌軌跡的梯形補氣窗設(shè)計形式，解決了猴子巖泄洪洞摻氣減蝕的工程設(shè)計問題。

2016-09-15

徐威(1977-)，男，遼寧鞍山人，高級工程師，從事水工設(shè)計及勘測設(shè)計管理工作。

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