某水電站導(dǎo)流洞出口體型優(yōu)化設(shè)計(jì)

涂小飛，鄔 旺

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川省成都市 610072；2.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東省廣州市 510290）

0 引言

本文以某水電站為依托，采用水力學(xué)模型試驗(yàn)的研究方法對(duì)導(dǎo)流洞過流的一系列指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證和比較，得出導(dǎo)流洞出口體型的優(yōu)化方案。

1 研究背景

某水電站導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，流量較大，受壩址區(qū)地形條件限制，2條導(dǎo)流洞均布置于河床右岸，導(dǎo)流洞出口采用斜向出洞的結(jié)構(gòu)型式。設(shè)計(jì)過程中采用模型試驗(yàn)的方法對(duì)導(dǎo)流洞出口布置及結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行優(yōu)化。

原設(shè)計(jì)方案導(dǎo)流洞出口布置見圖1。導(dǎo)流洞出口及下游河道水流流態(tài)如圖2（a）、（b）所示，下游河道沖淤形態(tài)如圖 2（c）、（d）所示。

圖1 導(dǎo)流洞出口布置Figure 1 Layout of diversion tunnel outlet

通過對(duì)導(dǎo)流洞出口及下游河道水流流態(tài)、流速分布和河床沖淤形態(tài)的試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，原方案導(dǎo)流洞出口水流消能防沖主要存在以下問題：

（1）導(dǎo)流洞進(jìn)出口底板落差較大（達(dá)11m），下游水位較低。當(dāng)過流量較大時(shí)，導(dǎo)流洞出口為自由出流，水流與下游河道水面以面流形式銜接，消能效果較差。實(shí)測(cè)5年一遇流量時(shí)，導(dǎo)流洞出洞流速約為16.7m/s，出口右邊墻末端水流流速約為14.6m/s， 20年一遇流量（設(shè)計(jì)流量）時(shí)，導(dǎo)流洞出洞流速約為20.2m/s，出口右邊墻末端水流流速約為15.9m/s。

（2）導(dǎo)流洞軸線與河道交角過大，導(dǎo)流洞出流歸槽性較差；當(dāng)過流量較大時(shí)，右岸兩條導(dǎo)流洞出流頂沖對(duì)岸，對(duì)左岸岸坡沖刷較嚴(yán)重，且部分水流頂沖岸坡后折向上游，在下游圍堰處形成較大回流，對(duì)圍堰穩(wěn)定產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)流量時(shí)，下游圍堰附近回流流速約3.9m/s，下游河道左岸岸邊最大流速為7.1m/s，河道最大沖深點(diǎn)高程為2059.9m，比導(dǎo)流洞出口底板高程低22.1m，位于導(dǎo)流洞出口對(duì)岸附近。

2 基于模型試驗(yàn)的出口體型優(yōu)化

2.1 修改方案一：增大導(dǎo)流洞出口邊墻擴(kuò)散角

為了改善導(dǎo)流洞出口水流歸槽情況，減輕對(duì)左岸及下游河道的沖刷，在原布置方案基礎(chǔ)上，修改方案一將1號(hào)導(dǎo)流洞出口右邊墻的擴(kuò)散角由6°增大至9°，2號(hào)導(dǎo)流洞出口右邊墻的擴(kuò)散角由6°增大至12°［1］，出口體型布置詳見圖3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)流洞出口右邊墻擴(kuò)散角增大后，導(dǎo)流洞出口水流歸槽性仍較差，導(dǎo)流洞出流仍頂沖對(duì)岸。由于導(dǎo)流洞出口底板高程維持不變，導(dǎo)流洞過流量較大時(shí)，出口水流為面流消能，消能效果較差，水流對(duì)下游河道沖刷較嚴(yán)重［2］。實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)流量時(shí)，修改方案一導(dǎo)流洞出洞流速為 20.2m/s，下游圍堰附近回流流速約為3.2m/s，下游河道左岸岸邊最大流速約為6.5m/s，下游河道最大沖深點(diǎn)高程為2060.00m，比導(dǎo)流洞出口底板高程低22.00m，位于導(dǎo)流洞出口對(duì)岸附近。同時(shí)，導(dǎo)流洞出口邊墻擴(kuò)散角過大，出洞水流在強(qiáng)慣性作用下，出口邊墻將出現(xiàn)水流脫流現(xiàn)象［3］，設(shè)計(jì)流量下導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及河道沖淤形態(tài)見圖4。

圖2 原設(shè)計(jì)方案導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及下游河道沖淤形態(tài)（a） 5年一遇流量出口水流流態(tài)；（b） 20年一遇流量出口水流流態(tài)；（c） 5年一遇流量河道沖淤形態(tài)；（d） 20年一遇流量河道沖淤形態(tài)Figure 2 Flow pattern and river erosion of previous scheme（a）Flow pattern of 20% frequency flood；（b）Flow pattern of 5%frequency flood；（c）River erosion of 20% frequency flood；（d）River erosion of 5% frequency flood

圖3 修改方案一導(dǎo)流洞出口體型布置圖（注：圖中樁號(hào)及尺寸均以m計(jì)）Figure 3 Layout of diversion tunnel outlet（scheme 1）

因此，僅通過增大導(dǎo)流洞出口右邊墻擴(kuò)散角，對(duì)改善水流歸槽性效果有限，導(dǎo)流洞體型仍需修改。

2.2 修改方案二：導(dǎo)流洞底板高程及洞線優(yōu)化調(diào)整

為了繼續(xù)改善出口水流歸槽性和消能效果，在滿足現(xiàn)場(chǎng)施工和出口地形條件下，修改方案二將1號(hào)、2號(hào)導(dǎo)流洞全洞降低2m，1號(hào)導(dǎo)流洞軸線向下游偏轉(zhuǎn)5°，2號(hào)導(dǎo)流洞軸線向下游偏轉(zhuǎn)6°，1號(hào)、2號(hào)導(dǎo)流洞出口左邊墻采用扭面型式，邊墻不擴(kuò)散，右邊墻均擴(kuò)散9°。1號(hào)導(dǎo)流洞出口右邊墻60m開始以半徑400m的圓弧與下游岸坡地形銜接［4］。修改方案二導(dǎo)流洞出口體型布置詳見圖5。

試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)流洞底板高程及洞線調(diào)整后，出口水流歸槽性及水流消能效果改善明顯，導(dǎo)流洞出流對(duì)下游河道沖刷大大減輕；設(shè)計(jì)流量時(shí)，修改方案二導(dǎo)流洞出洞流速約為18.9m/s，下游河道左岸岸邊最大流速約為6.1m/s，下游河道最大沖深點(diǎn)高程約為2066.20m，位于導(dǎo)流洞出口對(duì)岸附近，較修改方案一淺6.2m。

設(shè)計(jì)流量時(shí)，1號(hào)導(dǎo)流洞出口水流為急流，出口左邊墻外側(cè)水面高于內(nèi)側(cè)，水流翻過左邊墻橫向匯入主流，在主流裹挾下泄途中碰撞到右側(cè)地形，水流流向向上游發(fā)生偏轉(zhuǎn)頂沖對(duì)岸，部分水流折向上游，在下游圍堰處形成較大回流，回流流速達(dá)2.9m/s，對(duì)下游圍堰穩(wěn)定不利。設(shè)計(jì)流量下導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及河道沖淤形態(tài)見圖6。

2.3 修改方案三：出口底板高程調(diào)低2m

圖4 修改方案一設(shè)計(jì)流量時(shí)導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及河道沖淤形態(tài)（a）導(dǎo)流洞出口及下游河道；（b）2號(hào)導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)；（c）下游河道沖淤形態(tài)Figure 4 Flow pattern and river erosion of scheme 1（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel 2；（c）River erosion condition

圖5 修改方案二導(dǎo)流洞出口體型布置圖（注：圖中樁號(hào)及尺寸均以m計(jì)）Figure 5 Layout of diversion tunnel outlet（scheme 2）

針對(duì)修改方案二下游圍堰處回流較大的問題，修改方案三將1號(hào)洞出口左邊墻末端高程加高4m，由2092m加高至2096m。同時(shí)，對(duì)1號(hào)洞出口右側(cè)地形適當(dāng)擴(kuò)挖，從右邊墻40m開始以半徑250m的圓弧與下游岸坡地形銜接；出口體型布置詳見圖7。

試驗(yàn)結(jié)果表明，1號(hào)導(dǎo)流洞出口左邊墻加高、右側(cè)地形擴(kuò)挖后，導(dǎo)流洞出口水流歸槽較好，左邊墻外側(cè)水流匯入主流引起流向偏轉(zhuǎn)，造成圍堰處回流較大的現(xiàn)象有所改善［5］，但左邊墻下游仍有部分水流橫向匯入下泄主流，導(dǎo)致主流流向不穩(wěn)定，下游圍堰處間歇性出現(xiàn)較大回流現(xiàn)象；實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)流量時(shí)，修改方案三導(dǎo)流洞下游圍堰附近最大回流流速約為2.3m/s，下游河道左岸岸邊最大流速約為5.6m/s，下游河道最大沖深點(diǎn)高程為2066.70m，位于導(dǎo)流洞出口對(duì)岸附近，與修改方案二相當(dāng)。設(shè)計(jì)流量下導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及河道沖淤形態(tài)見圖8。

2.4 修改方案四：改變導(dǎo)流洞出口邊墻形式

為了增加導(dǎo)流洞下泄水流的穩(wěn)定性，進(jìn)一步減小下游圍堰處的回流流速，試驗(yàn)對(duì)比了不同的導(dǎo)流洞出口左邊墻長度、高度及型式［6］。

修改方案四：在修改方案三基礎(chǔ)上，將1號(hào)、2號(hào)導(dǎo)流洞出口左邊墻由扭面式改為直立式。

試驗(yàn)結(jié)果表明，修改方案四將導(dǎo)流洞出口左邊墻改為直墻后，導(dǎo)流洞出口水流歸槽性及下游圍堰處水流穩(wěn)定性較修改方案三有所改善；設(shè)計(jì)流量時(shí)，修改方案四下游圍堰處最大回流流速約為2.1m/s，較修改方案三減小0.2m/s；下游河道左岸岸邊最大流速約為5.6m/s，下游河道最大沖深點(diǎn)高程約為2066.50m，與修改方案三相當(dāng)。設(shè)計(jì)流量下導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及河道沖淤形態(tài)見圖9。

2.5 修改方案五：下游圍堰上移20m

由于1號(hào)導(dǎo)流洞出口距下游圍堰較近，下游圍堰處水流不穩(wěn)定，考慮下游圍堰布置有一定上移空間，為降低出口水流對(duì)下游圍堰的沖刷，在修改方案四的基礎(chǔ)上將下游圍堰向上移20m。

圖6 修改方案二設(shè)計(jì)流量時(shí)導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及河道沖淤形態(tài)（a）導(dǎo)流洞出口及下游河道；（b）2號(hào)導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)；（c）下游河道沖淤形態(tài)Figure 6 Flow pattern and river erosion of scheme 2（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel 2；（c）River erosion condition

圖7 修改方案三導(dǎo)流洞出口體型布置圖（注：圖中樁號(hào)及尺寸均以m計(jì)）Figure 7 Layout of diversion tunnel outlet（scheme 3）

圖8 修改方案三設(shè)計(jì)流量時(shí)導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及河道沖淤形態(tài)（a）導(dǎo)流洞出口及下游；（b）下游河道沖淤形態(tài)Figure 8 Flow pattern and river erosion of scheme 3（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）River erosion condition

試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)流量時(shí)，下游圍堰處最大回流流速約為1.6m/s，對(duì)下游圍堰沖刷較小。設(shè)計(jì)流量下導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及河道沖淤形態(tài)見圖10，流速分布及沖淤地形見圖11。

設(shè)計(jì)流量下修改方案一～方案五下游河道水力特性比較見表1，修改方案五下游圍堰處最大回流流速最小，對(duì)下游圍堰沖刷小，下游河道沖坑深度小，可作為最終的推薦方案。

表1 設(shè)計(jì)流量下修改方案一～方案五下游河道 水力特性值比較Table 1 Hydraulic characteristics of scheme 1 ～ 5

3 結(jié)論

經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，各級(jí)流量下，推薦方案導(dǎo)流洞出流歸槽性較好，水流對(duì)下游河道及左岸岸坡沖刷較原方案明顯減輕。5年一遇及其以下流量時(shí)，導(dǎo)流洞出流對(duì)下游河床及左岸岸坡沖刷較輕，沖坑最深點(diǎn)位于河床中心［7］。設(shè)計(jì)流量時(shí)，1號(hào)導(dǎo)流洞出口左邊墻及導(dǎo)流洞出口左岸流速較大，河床沖深較深，建議對(duì)該區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)。

圖9 修改方案四設(shè)計(jì)流量時(shí)導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及河道沖淤形態(tài)（a）導(dǎo)流洞出口及下游河道；（b）2號(hào)導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)；（c）下游河道沖淤形態(tài)Figure 9 Flow pattern and river erosion of scheme 4（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel 2；（c）River erosion condition

圖10 修改方案五設(shè)計(jì)流量時(shí)導(dǎo)流洞出口水流流態(tài)及河道沖淤形態(tài)（a）導(dǎo)流洞出口及下游河道；（b）下游河道沖淤形態(tài)Figure 10 Flow pattern and river erosion of scheme 5（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）River erosion condition

圖11 修改方案五設(shè)計(jì)流量時(shí)流速分布及沖淤地形圖（單位：m）Figure 11 Flow velocity and river erosion condition of scheme 5（at design flow）

以上研究成果對(duì)于本工程導(dǎo)流洞出口體型優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義，對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。由于水力學(xué)模型試驗(yàn)的局限性和復(fù)雜性［8］，對(duì)于不同地質(zhì)情況及工程布置下的導(dǎo)流洞出口體型優(yōu)化仍需進(jìn)行針對(duì)性深入研究。