基于水工模型試驗的曼轉(zhuǎn)河泄洪隧洞體型優(yōu)化研究

(云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計研究院，云南蒙自661100)

1 工程概況

曼轉(zhuǎn)河水庫位于瀾滄江水系威遠江支流曼轉(zhuǎn)河上中游河段，水庫集水面積117.2 km2，多年平均年徑流量10 217.7萬m3，水庫功能以農(nóng)業(yè)灌溉為主兼顧下游防洪，總庫容1 845.1萬m3，設(shè)計灌溉面積1 866.76 hm2。

泄洪隧洞位于壩體左岸山梁，導(dǎo)流任務(wù)完成后通過新建進口龍?zhí)ь^將隧洞改造為泄洪洞，進口底板高程1 144.0 m，洞身在里程0+078.326 m處與龍?zhí)ь^段泄洪洞相交，隧洞全長262.274 m，其中有壓段為直徑3.6 m的圓洞，長72.274 m，其后接長13 m的豎井段，內(nèi)設(shè)檢修閘和工作閘并配置啟閉機；豎井段后的無壓段，長138 m，設(shè)計底坡i=1/50，圓拱直墻形斷面，尺寸4.0 m×5.6 m，出口采用挑流鼻坎消能，鼻坎反弧半徑25 m，挑射角20°，護坦段長5 m。泄洪隧洞校核洪水標(biāo)準下控制最大下泄流量160 m3/s ，隧洞縱剖面見圖1。

圖1 泄洪隧洞縱剖面

2 模型制作與量測系統(tǒng)

2.1 模型制作

模型范圍為隧洞進口上游300 m，出口下游330 m，模型河道根據(jù)工程區(qū)1∶500地形圖制作，按設(shè)計的上下游最高水位加正常超高確定模型地形最大高程，采用斷面板法制作，2個控制斷面間距40 cm，局部地形變化較大處進行加密控制。河床地形采用埋模板斷面制作，兩斷面間的部分參照河道地形圖加工床面，石碴回填，砂漿抹面。隧洞采用有機玻璃制作，模型制作安裝完成后，復(fù)查高程差為0.3%，幾何誤差滿足規(guī)范要求，有機玻璃糙率采用0.010，符合原型泄水混凝土建筑物過流表面的糙率。

2.2 量測系統(tǒng)

水位由2個量水測針(最小讀數(shù)精度為0.1 mm)控制，1號測針位于隧洞進口上游98 m處，控制上游水位；2號測針位于隧洞挑坎下游175 m處，控制下游水位。流量采用專業(yè)電子流量計控制。流速采用HD.4B型電腦流速儀測量。水深選用鋼尺(最小讀數(shù)精度為1 mm)測量。具體量測設(shè)備見表1。

表1 量測設(shè)備

2.3 測點布置

隧洞模型從進口到挑坎末端共布設(shè)37個測點進行沿程壓力測量，測點布置見圖2。

3 試驗成果

3.1 泄流能力

不同工況下隧洞泄流能力對比見表2。結(jié)果表明：隧洞泄流能力滿足要求。

3.2 進口及無壓段流態(tài)

試驗結(jié)果：上游水位1 160 m以下時，隧洞進口水面產(chǎn)生較強旋流，有壓段出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象并伴有震動，豎井末端產(chǎn)生沖擊波，無壓段水面起伏不穩(wěn)定。上游水位達1 160 m時，水位基本穩(wěn)定在1 151.44 m，進口存在旋流并伴有響聲，有壓段負壓明顯，無壓段產(chǎn)生沖擊波。上游水位在1 160～1 172 m時，試驗水位基本穩(wěn)定，進口產(chǎn)生旋流，偶有吸氣聲響。上游水位1 172 m，試驗水位在1 155.19～1 156.55 m變動，明滿交替流現(xiàn)象已不明顯。上游水位1 176 m及以上后，試驗水位穩(wěn)定，庫面平靜，隧洞進口頂部中間水面形成穩(wěn)定漩渦，漩渦中心到進口形成穩(wěn)定氣柱并最終進入洞內(nèi)。

圖2 泄洪洞測壓點布置

流量/(m3·s-1)設(shè)計水位/m 試驗水位/m 145.01 148.001 150.70～1 156.3156.11 152.001 150.70～1 154.17166.61 156.00 1 151.44～1 153.89176.41 160.001 151.44185.61 164.001 151.69194.51 168.001 153.75202.91 172.001 155.19～1 156.55211.11 176.001 158.54216.11 179.571 161.14219.71 180.421 161.47

1 160 m以下水位，同一流量下的試驗水位普遍較設(shè)計水位高且伴有明滿交替流現(xiàn)象。1 160 m水位以上，同一流量下的試驗水位比設(shè)計水位低，且隨流量增大試驗水位與設(shè)計水位偏差越大，同一水位下的泄流能力遠大于設(shè)計值。上游水位1 179.57 m時的進口流態(tài)見圖3。

圖3 水位1 179.57 m時的上游進口流態(tài)

3.3 沿程壓力及水流空化數(shù)

不同流量下洞內(nèi)水流空化數(shù)見表3。試驗結(jié)果表明：洞身負壓段主要位于隧洞進口轉(zhuǎn)彎段(里程0+038.88～0+050.33 m)和有壓漸變壓坡段末端閘井處，水流空化數(shù)較低，易產(chǎn)生空蝕破壞。且低水位1 161 m以下時，洞身存在明滿交替流現(xiàn)象且振動較大，對隧洞安全穩(wěn)定不利。

4 隧洞體型優(yōu)化

對試驗結(jié)果的研究分析表明，隧洞進口及有壓漸變壓坡段體型設(shè)計不合理是導(dǎo)致隧洞進口水流流態(tài)差和有壓段易發(fā)生空蝕的主要原因。

表3 不同流量下的水位壓力及水流空化數(shù)

4.1 優(yōu)化措施

4.1.1進口

進口段底板高程降低2 m，以形成寬頂堰，增大進口壓力。同時進口頂部加設(shè)長1.5 m的蓋板，防止漩渦形成。優(yōu)化成果見圖4。

圖4 進口段優(yōu)化示意

4.1.2有壓漸變壓坡段

漸變壓坡段尾端斷面高由3 m減至2.8 m，收縮率變至82.6%。同時將漸變段長度延長到10 m，使?jié)u變段長與進口斷面直徑比L/D=2.78。優(yōu)化結(jié)果見圖5。

圖5 漸變壓坡段優(yōu)化示意

4.2 優(yōu)化成果

4.2.1進口及有壓段流態(tài)

優(yōu)化后,上游1 156 m以下水位，進口處仍存在漩渦且有壓段還存在明滿交替流現(xiàn)象，14號測點(里程0+072.32)仍存在脈動壓強和負壓，但隨庫水上升負壓有所減小，僅13號測點(里程0+077.62和14號測點(里程0+072.32)間存在氣泡；水位達1 156 m后，進口流態(tài)較穩(wěn)定，有壓段流態(tài)明顯改善；水位達1 158 m后，進口漩渦明顯減小，有壓段為滿流且流態(tài)穩(wěn)定，隨庫水位升高，進口及有壓段流態(tài)更趨穩(wěn)定。

4.2.2沿程壓力

優(yōu)化后，洞身沿程壓力分布見圖6。成果表明：1 161 m水位以下，僅在有壓轉(zhuǎn)彎段的3、4、14、15號測點存在負壓。水位升至1 168.59 m時，僅有壓漸變壓坡段前的轉(zhuǎn)彎段洞頂14號測點處于負壓狀態(tài)。水位升至1 173.35 m時，14號測點負壓減小至-1.83 m，洞身沿程壓力變化趨勢為隨庫水位升高，有壓段沿程壓力逐漸升高，至水位1 176 m時，14號測點已變?yōu)檎龎海? 176 m及以上水位，隧洞洞身均處于正壓狀態(tài)。

圖6 洞身沿程壓力分布

4.2.3水流空化數(shù)

優(yōu)化后,有壓段水流空化數(shù)分布見圖7。優(yōu)化前，隧洞進口有壓轉(zhuǎn)彎段洞頂上部水流空化數(shù)僅達-0.33～0.11，漸變壓坡段末端閘槽處水流空化數(shù)僅達0.07～0.23，水流空化數(shù)均低于0.3，極易產(chǎn)生空蝕破壞。優(yōu)化后，洞身水流空化數(shù)提升明顯，1 176 m水位及以上，洞身各點水流空化數(shù)達0.38～3.91，最小值0.38，各點水流空化數(shù)均大于臨界空化數(shù)0.3，產(chǎn)生空蝕破壞的可能性極小。

圖7 有壓段水流空化數(shù)分布

4.2.4設(shè)計水位和校核水位工況下的沿程壓力

優(yōu)化后，設(shè)計和校核水位工況下，用閘門控制允許最大下泄流量160 m3/s時的隧洞沿程壓力分布見圖8。

結(jié)果表明，優(yōu)化后，用閘門控制最大下泄流量時，洞身沿程各點壓力均為正壓，各點壓力較優(yōu)化前明顯增大，有壓段沿程壓力為28.04～49.24 m，設(shè)計洪水位時洞身有壓漸變收縮段起點處11號測點最大壓力達49.24 m，校核洪水位時洞身有壓第二轉(zhuǎn)彎段末端處10號測點最大壓力達49.13 m?；⌒伍l前沿程壓力介于28.04～49.24 m之間。

圖8 設(shè)計和校核水位下沿程壓力分布

5 結(jié)語

曼轉(zhuǎn)河泄洪隧洞體型優(yōu)化研究，可得出以下結(jié)論。

a) 隧洞泄流能力滿足設(shè)計要求。

b) 上游1 156 m以下水位，隧洞進口處仍存在漩渦，有壓段還有明滿交替流現(xiàn)象；水位達1 156 m后，進口流態(tài)較穩(wěn)定，有壓段流態(tài)明顯改善；水位達1 158 m后，進口漩渦明顯減小，有壓段為滿流且流態(tài)穩(wěn)定，隨庫水位升高，進口及有壓段流態(tài)更趨穩(wěn)定。應(yīng)盡量避免隧洞在1158m以下水位運行。

c) 洞身沿程壓力隨庫水位升高而逐漸升高，水位達1 176 m及以上后，洞身均處于正壓狀態(tài)。

d) 優(yōu)化后洞身水流空化數(shù)提升明顯，1 176 m水位及以上，洞身各點水流空化數(shù)達0.38～3.91，最小值0.38，各點水流空化數(shù)均大于臨界空化數(shù)0.3，產(chǎn)生空蝕破壞的可能性極小。

e) 優(yōu)化后用閘門控制最大下泄流量時，洞身沿程各點壓力均為正壓，較優(yōu)化前明顯增大，有壓段沿程壓力達28.04～49.24 m，設(shè)計洪水位時洞身有壓段最大壓力達49.24 m，校核洪水位時有壓段最大壓力達49.13 m?；⌒伍l前沿程壓力達28.04～49.24 m。

f) 隧洞體型優(yōu)化成果表明，優(yōu)化后隧洞進口水流流態(tài)和有壓段空蝕情況均得到極大程度改善，優(yōu)化效果明顯。