某水庫灌溉洞水力學(xué)特性試驗(yàn)研究

田 杰

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

某水庫灌溉洞水力學(xué)特性試驗(yàn)研究

田 杰

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

文中主要對某水庫灌溉洞水工模型試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入介紹和分析，比較了不同閘門開度對水力參數(shù)的影響，并對模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題提出了建議。

水工模型試驗(yàn)；灌溉洞；水庫

1 研究背景

某水庫控制流域面積127.5 km2，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)、1 000年一遇洪水校核。水庫總庫容為3 449萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積0.7萬hm2。防洪保護(hù)范圍內(nèi)有檸檬酸廠等7個大中型企業(yè)、學(xué)校，甘亭鎮(zhèn)及10余個村莊5萬余人和0.2萬hm2耕地等，是一座以灌溉、防洪為主，兼顧養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。

左岸灌溉洞位于溢洪道右側(cè)約210 m處，設(shè)計(jì)流量1.5 m3/s。涵洞長133 m，為無壓明流洞，共分三段：第一段長21.5 m，寬0.8 m、高1.1 m的混凝土蓋板漿砌石方形涵洞；第二段長64.5 m，寬3.0 m、高3.0 m的漿砌石城門洞形涵洞；第三段長47m，寬1.2m、高2.0 m城門洞形涵洞，頂拱為砌磚，下部為漿砌石結(jié)構(gòu)。

模型布置詳見圖1。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

常規(guī)模型試驗(yàn)主要作用力為重力，必須遵循重力相似準(zhǔn)則，即模型與原型佛汝德數(shù)應(yīng)保持相等。

圖1 模型平面布置圖

模型遵循重力相似準(zhǔn)則，按照佛汝德定律進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備、場地及供水能力等條件，并依據(jù)模型試驗(yàn)規(guī)程的精度要求，經(jīng)比選（長度比尺為 10、15、20）確定采用長度比尺 λL=12[1]，模型范圍含庫區(qū)上游20 m和左岸灌溉洞（0-007.863~0+133.00）全部，模型各物理量比尺如下：

長度比尺：λL=λH=12

流速比尺：λv=λL1/2=3.46

流量比尺：λv=λL5/2=498.83

糙率比尺：λv=λL1/6=1.51

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 閘門不同開度水位流量關(guān)系

根據(jù)灌溉洞運(yùn)行實(shí)際情況及設(shè)計(jì)資料分析，我們選取閘門不同開度：0.06 m、0.08 m、0.09 m、0.12 m、0.18 m、0.26 m，流量在0.5～1.5 m3/s，水位在 547.5～560.3 m的工況下的泄量曲線，具體見表1。

表1 不同開度下流量水位關(guān)系表

3.2 各工況數(shù)據(jù)分析

3.2.1 閘門開度0.08 m

該水庫是以灌溉為主的水庫，在灌溉季節(jié)，其灌溉流量是由作物需水量決定的，因此，不同庫水位時(shí)為適應(yīng)灌溉流量而確定開度，這樣組合后其工況數(shù)量較多，為此，在試驗(yàn)中將包括高中低庫水位條件下，對滿足不同流量時(shí)典型閘門開度下的流態(tài)、水面變化、流速分布等進(jìn)行分析，觀察流態(tài)，測取相關(guān)水力特性數(shù)據(jù)，以代表可能出現(xiàn)的各種工況。

在閘門開度為0.08 m時(shí)，分別觀測了三種典型庫水位下的水流流態(tài)、水面變化及流速分布：

庫水位560.325 m（正常高水位），對應(yīng)下泄流量為 1.557 m3/s，尾水控制水深為 1.25 m；庫水位555.992 m（經(jīng)常出現(xiàn)灌溉高水位），對應(yīng)下泄流量為1.371 m3/s，尾水控制水深為1.15 m；庫水位546.996 m（低水位），對應(yīng)下泄流量為0.858 m3/s，尾水控制水深為0.87 m。

由于閘門相對開度（5.3%）很小，庫水位較高，閘后水流均呈急流狀態(tài)，由于漸變段側(cè)墻收縮使水流向中間擠壓，在0+017.21至0+021.50之間形成水冠，射向下游水體，當(dāng)庫水位為560.325 m時(shí)水冠最高水位在0+019.82斷面處，冠頂水位為541.22m，水深0.41m；當(dāng)庫水位為555.992 m時(shí)水冠發(fā)生在樁號0+020.30，最高點(diǎn)水位為 541.19 m，水深 0.38 m；當(dāng)庫水位為546.996 m時(shí)水冠發(fā)生在樁號0+017.90，最高點(diǎn)水位為541.13 m，水深0.27 m。

在樁號0+019.82~0+031.10之間形成水躍，當(dāng)庫水位為560.325 m時(shí)，水躍在0+019.82~0+031.10之間發(fā)生；庫水位為555.992 m時(shí)水躍在0+019.72~0+028.70之間發(fā)生；庫水位為546.996 m時(shí)水躍在0+019.22~0+027.50之間發(fā)生；于樁號0+021.50處呈水躍狀態(tài)射入下游擴(kuò)散段水體，水流在中部集中，水躍兩側(cè)產(chǎn)生回流，回流范圍樁號0+025.40~0+029.30，水躍左右擺動不定，兩側(cè)回流大小也隨之而變，由于流速較高，水流波動亦大，形成不完全、不穩(wěn)定波狀水躍，流態(tài)復(fù)雜，水流表面呈波動狀傳至下游，0+031.10之后水面平順，流態(tài)平穩(wěn)，能平順傳至下游。在通過消力坎時(shí)，因坎的阻擋，坎前后水流有些波動，但很快即趨于平穩(wěn)。

3.2.2 閘門開度0.06 m

在此開度下，分別觀測了兩種不同典型庫水位時(shí)的水流流態(tài)并測得了相關(guān)資料，即：

庫水位555.979 m，對應(yīng)下泄流量為1.092 m3/s，尾水控制水深為1.10 m；庫水位549.972 m，對應(yīng)下泄流量為0.809 m3/s，尾水控制水深為0.85 m。

由于閘門相對開度（4.0%）很小，庫水位較高（555.979 m）時(shí)，閘后水流呈急流狀態(tài)，從0+017.21斷面后，由于漸變段側(cè)墻收縮使水流向中間擠壓，在0+017.21至0+021.50之間形成水冠，射向下游水體，水冠最高處水深為0.34 m，水面高程541.16 m，并在樁號為0+019.22~0+025.40之間形成水躍，于樁號0+021.50處呈水躍狀態(tài)射入下游擴(kuò)散段水體，由于水流在中部集中，形成不完全、不穩(wěn)定波狀水躍，水躍兩側(cè)產(chǎn)生回流，流態(tài)復(fù)雜，水流表面呈波動狀傳至下游；當(dāng)?shù)退唬?49.972 m）運(yùn)行時(shí)，由于流量相對較小，水躍起點(diǎn)在0+019.10斷面，受到下游水體的頂托，在進(jìn)入擴(kuò)散段0+021.50斷面后，水躍強(qiáng)度略有減弱，在0+029.30斷面后呈波動狀傳遞至下游。在水流通過消力坎時(shí)，受消力坎的影響，堰頂水深小、流速大，在坎前坎后形成跌落，使坎后一段距離內(nèi)水面波動較大，在由3.0 m×3.0 m洞段進(jìn)入1.2 m×2.0 m洞段，因斷面顯著縮窄，故1.2 m×2.0 m洞段流速加大，但水面基本平穩(wěn)，能順利與灌溉渠聯(lián)接。

3.2.3 閘門開度0.12m

在此開度下，試驗(yàn)了一種庫水位下的流態(tài)并測取了相關(guān)水力學(xué)資料，即：庫水位547.776 m，對應(yīng)下泄流量為1.439 m3/s，尾水控制水深為1.18 m。

由于閘門相對開度（8%）較小，水流從閘孔流出后，閘后水流也呈急流狀態(tài)，由于0+012.71斷面漸變段側(cè)墻收縮使水流向中間擠壓，在0+017.21至0+021.50之間形成水冠，水冠最大水深為0.44 m（樁號0+021.50），水冠頂高程541.26 m，射向下游水體；0+012.71斷面中線流速為8.56 m/s，斷面平均流速7.86 m/s；在0+018.50形成水躍，躍前水深為0.27 m，斷面平均流速6.54 m/s；水流從0+021.50射入擴(kuò)散段水體，射入流速最大值為3.85 m/s，且為水躍區(qū)，水面產(chǎn)生波動，在0+029.30斷面水面最高，水面高程為542.10 m，該斷面水深平均值為1.51 m，已經(jīng)超過灌溉洞直墻高度（1.50 m）。

水流在0+029.30至坎前0+066.00之間流速趨于平順，各斷面流速值在0.26 m/s左右，水面高程平均值為542.09 m，可以看出水面相對比較平穩(wěn)。

水流經(jīng)過消力坎時(shí)，坎頂平均流速加大，坎頂0+066.50斷面平均流速為0.59 m/s，坎上平均水深為0.75 m。

水流經(jīng)過消力坎從3.0m×3.0m段進(jìn)入1.2m×2.0m段后，由于過水?dāng)嗝妫?+086.00）縮?。▽挾扔? m縮為1.2 m），斷面流速較3.0 m×3.0 m洞段（0+086.00上游斷面平均流速為0.24 m/s）顯著加大，0+086斷面最大流速為1.56 m/s（左側(cè)底部），平均流速為1.35 m/s；該處水面高程為542.00 m。

進(jìn)入1.2 m×2.0 m洞段后，水流流速逐漸減小趨于平穩(wěn)，在接近灌溉洞末端0+129.76處平均流速為0.92 m/s，此處水面高程為541.94 m，水流比較平順，流態(tài)比較平穩(wěn)，能平順傳至下游。

3.2.4 閘門開度0.26 m

在此開度下，試驗(yàn)了一種庫水位下的流態(tài)并測取了相關(guān)水力學(xué)資料，即：庫水位543.468 m，對應(yīng)下泄流量為1.512 m3/s，尾水控制水深為1.22 m。

該工況下閘門相對開度為17.3%，由于庫水位低、流量大、尾水高，所以收縮段水流出現(xiàn)了明滿流過渡狀態(tài)，明滿流出現(xiàn)的范圍為樁號0+017.21上游0.6 m至1.8 m。以后為滿流。

4 結(jié)論及建議

1）由不同開度、不同庫水位下，所測庫水位與泄量關(guān)系曲線，可看出在設(shè)計(jì)工況及運(yùn)行工況對滿足灌溉流量要求的閘門開度均很小，閘后成射流，流速大，對其閘后結(jié)構(gòu)是不利的，所測庫水位與泄量關(guān)系曲線可供設(shè)計(jì)運(yùn)行參考。

2）根據(jù)各種工況的試驗(yàn)資料看出在控制流量小于1.5 m3/s情況下，因閘門開度小，故閘后均為急流狀態(tài)，水深小流速大，在0+012.71斷面最大可達(dá)14.48 m/s（流量1.56 m3/s時(shí)）。

在0+012.70至0+017.21段因側(cè)墻收縮，在0+017.21至0+021.50段產(chǎn)生水冠，并在0+019.10至0+031.10段出現(xiàn)水躍，水躍進(jìn)入擴(kuò)寬段后，向兩側(cè)擴(kuò)散并形成不穩(wěn)定回流區(qū)。該段水面波動大，左右擺動劇烈，流態(tài)復(fù)雜。

3）在庫水位 543.468 m，流量 1.512 m3/s，閘門開度0.26 m時(shí)，在收縮段0+012.71~0+017.21段出現(xiàn)明滿流過渡流態(tài)，對建筑物安全和穩(wěn)定（通氣不足引起閘門震動加大）產(chǎn)生不利影響，應(yīng)盡量避免該工況的出現(xiàn)。

4）從0+037.00以后水流平穩(wěn)，波動不大。只有在消力坎附近，因堰頂水深小流速大，水流波動略有增大，而由3.0 m×3.0 m涵洞進(jìn)入1.2 m×2.0 m涵洞段，因水流急劇收縮，1.2 m×2.0 m洞段首部產(chǎn)生水面跌落，流速增高，引起下游水面一些波動。但可以順利與灌溉渠聯(lián)接。

［1］劉志明，汪慶元.水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程:SL155-2012［S］.北京：中國水利水電出版社，2012:4-9.

Experiment Study on Hydraulic Properties of a Irrigation Tunnel in a Reservoir

TIAN Jie

In this paper，the results of hydraulic model test of the irrigation tunnel in a reservoir are introduced and analized deeply and the effects of different gate opening on hydraulic characteristics of flow in irrigation tunnel are investigated.The suggestions are given on the problems in the model test.

hydraulic model test；irrigation tunnel；reservoir

TV131

B

2017-03-27

2017-03-29

田 杰（1980-），男，2002年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水利水電工程專業(yè)，工程師。

1006-8139（2017）03-032-03