西藏湘河水利樞紐泄水建筑物泄流能力模型試驗(yàn)研究

于 凱，孫 宇，馮云龍

(南京水利科學(xué)研究院 江蘇科興項(xiàng)目管理有限公司，南京 210029)

1 概 述

泄洪建筑物是水利樞紐工程的重要組成部分，泄洪建筑物的泄流能力對(duì)工程的安全使用起著十分重要的作用。賈紅娟等[1]通過模型試驗(yàn)對(duì)某水庫泄洪流態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)消能體型設(shè)計(jì)提出建議；楊長春等[2-3]結(jié)合夾巖水庫工程，對(duì)水庫的泄洪、消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，泄流能力可滿足要求；黃智文[4]結(jié)合巴利爾斯水電站工程，利用Fluent軟件對(duì)溢洪道水力特性進(jìn)行分析，結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果較為吻合；張軍等[5]利用模型試驗(yàn)，對(duì)樓莊子水庫的泄洪建筑物進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后方案具備良好的泄洪能力；熊義貴等[6]利用模型試驗(yàn)對(duì)吉爾格勒德側(cè)槽溢洪洞設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行分析，采用臺(tái)階式消能，保證了消能泄洪效果。物理模型試驗(yàn)是常用的科研方法，結(jié)合湘河水利樞紐工程，利用模型試驗(yàn)對(duì)其泄洪建筑設(shè)計(jì)可行性進(jìn)行分析。

2 工程概況

湘河水利樞紐工程泄洪規(guī)模較大，百年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量經(jīng)過調(diào)洪后為1 018 m3/s，2000年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1 701 m3/s，百年一遇(含百年)以下的洪水都要通過溢洪道下泄，泄洪洞和導(dǎo)流泄洪洞是初設(shè)階段的主要泄洪建筑物。溢洪洞布置在河流左岸，溢洪洞軸線平面與導(dǎo)流泄洪洞軸線平行，軸線間距20 m，總長919.42 m，其中引水渠長135.32 m，控制段長25 m，洞身段長390 m，消力池長80 m，池后接長299.10 m的海漫。導(dǎo)流兼泄洪洞總長883.19 m，布置于左岸山體內(nèi)發(fā)電洞左側(cè)，由導(dǎo)流洞后期改造為無壓泄洪洞，軸線與溢洪洞軸線平行，軸線間距20 m。

3 不同工況流速、流態(tài)及水面線

3.1 50年一遇洪水工況流速、流態(tài)及水面線

50年一遇洪水下泄流量為906.44 m3/s時(shí)，溢洪洞單獨(dú)泄洪，上游庫水位為4 100.38 m。上游庫區(qū)水面平穩(wěn)，水流進(jìn)入溢洪洞進(jìn)口段時(shí)右邊墻有明顯繞流，引水渠內(nèi)形成漩渦水流不平穩(wěn)，進(jìn)口平均底流速5 m/s，呈現(xiàn)右小左大的趨勢(shì)，堰頂?shù)钠骄魉贋?1.25 m/s。出孔水流沿中墩中心線挑起形成水翅，水翅高4.8 m、長18 m。泄槽段的流速逐漸增大，水面波動(dòng)較大，水流時(shí)而翻過右側(cè)邊墻。水流經(jīng)過泄槽拋物線的連接處進(jìn)入消力池流速較大，最大流速為27 m/s，消力池前26 m處形成急流區(qū)，后半段形成不完整水躍，消力池后部分翻滾比較劇烈最高水位高出邊墻1.57 m，消能效果不夠理想。海漫段水流有所波動(dòng)，0+324.95 m處的最大流速為6.95 m/s，0+384.95 m處的最大流速為5.64 m/s，0+441.45 m處的最大流速為5.31 m/s，海漫出口處的流速為4.27 m/s。受左側(cè)導(dǎo)堤影響，下游水流主流區(qū)位于河道中間，有利于下游防護(hù)。見圖1。

圖1 溢洪洞流態(tài)(50年一遇洪水工況)

3.2 百年一遇洪水下的流速、流態(tài)及水面線

百年一遇洪水下泄1 017.59 m3/s時(shí)，溢洪洞單獨(dú)泄洪，上游庫水位為4 101.18 m。上游庫區(qū)水面平穩(wěn)，當(dāng)水流進(jìn)入溢洪洞進(jìn)水段時(shí)右邊墻繞流嚴(yán)重，引水渠內(nèi)形成漩渦水流不平穩(wěn)，平均底流速5.6 m/s，呈現(xiàn)右小左大的趨勢(shì)，堰頂?shù)钠骄魉贋?1 m/s。出孔水流沿中墩中心線挑起形成水翅，水翅高4.8 m、長19 m。泄槽段的流速逐漸增大，水面波動(dòng)較大，水流時(shí)而翻過邊墻。水流經(jīng)過泄槽拋物線的連接處進(jìn)入消力池流速較大，最大流速為27.3 m/s，消力池前29 m處形成急流區(qū)，后半段形成不完整水躍，消力池后部分翻滾比較厲害最高水位高出邊墻3 m，消能效果不夠理想。海漫段水流有所波動(dòng)，海漫段0+324.95 m處的最大流速為8.30 m/s，0+384.95 m處的最大流速為6.38 m/s，0+441.45 m處的最大流速為6.21 m/s，海漫出口處的流速為4.18 m/s。受左側(cè)導(dǎo)堤影響下游水流主流區(qū)位于河道中間。見圖2。

圖2 溢洪洞流態(tài)(百年一遇洪水工況)

3.3 校核洪水位下的流速、流態(tài)及水面線

校核洪水位工況下上游來流為2 017.6 m3/s，溢洪洞與導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合泄洪，其中溢洪洞過流1 260 m3/s，導(dǎo)流泄洪洞過767.6 m3/s，上游庫水位為4 102.84 m。上游庫區(qū)水面平穩(wěn)，當(dāng)水流進(jìn)入溢洪洞進(jìn)水段時(shí)右邊墻繞流嚴(yán)重，引水渠內(nèi)形成漩渦水流不平穩(wěn)，平均底流速6.76 m/s，呈現(xiàn)右小左大的趨勢(shì)，堰頂?shù)钠骄魉贋?3.64 m/s。泄槽段的流速逐漸增大，水面波動(dòng)較大，水流時(shí)而翻過邊墻。水流經(jīng)過泄槽拋物線的連接處進(jìn)入消力池流速較大，最大流速為30 m/s，消力池前42 m處形成急流區(qū)，后半段形成不完整水躍，消力池后部分翻滾劇烈最高水位高出邊墻5 m，消能效果不夠理想。海漫段水流波動(dòng)較大，水流極易翻出左岸，導(dǎo)堤海漫段0+324.95 m處的最大流速為11.59 m/s，0+384.95 m處的最大流速為6.72 m/s，0+441.45 m處的最大流速為4.14 m/s，海漫出口處的流速為5.5 m/s。

溢洪洞出口為無壓流，出口水面高4 057.39 m，最大底流速19.64 m/s。水流在消力池內(nèi)未形成完整水躍，消力池后部分翻滾比較劇烈最高水位高出邊墻4.6 m。見圖3。

圖3 溢洪洞流態(tài)(校核洪水位工況)

4 泄水建筑物泄流能力分析

4.1 溢洪洞泄流能力

溢洪洞泄流量按下式計(jì)算：

(1)

式中：Q為泄流量，m3/s；m為堰流量系數(shù)；ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)；B為溢流堰總凈寬；H為未計(jì)入行近流速水頭的堰上水頭，m；g重力加速度，g=9.81 m/s2；M為包括側(cè)收縮系數(shù)在內(nèi)的堰流流量系數(shù)，M=mε。

由試驗(yàn)得出，當(dāng)庫水位為50年一遇洪水位4 100.59 m時(shí)，試驗(yàn)流量為940.05 m3/s，比設(shè)計(jì)流量906.44 m3/s大3.7%，其流量系數(shù)M=0.444；當(dāng)水庫為設(shè)計(jì)水位4 101.47 m時(shí)，試驗(yàn)流量為1 060.00 m3/s，比設(shè)計(jì)流量1 017.59 m3/s大4.0%，流量系數(shù)M=0.442；當(dāng)水庫為校核水位4 102.84 m時(shí)，試驗(yàn)流量為1 253.25 m3/s，比設(shè)計(jì)流量1 198.25 m3/s大4.6%，流量系數(shù)M=0.434。見圖4。

圖4 溢洪洞庫水位與流量關(guān)系曲線

4.2 導(dǎo)流泄洪洞泄流能力

導(dǎo)流泄洪洞按有壓孔流的計(jì)算公式：

(2)

式中：Q為泄流量，m3/s；n為孔口數(shù)量；μ為流量系數(shù)；Ak為孔口斷面面積，m2；Hw為水流自由出流時(shí)，孔口中心高程算起的上游水庫水深，m；

由試驗(yàn)得出，當(dāng)水庫為設(shè)計(jì)水位4 101.47 m時(shí)，試驗(yàn)流量為736.00 m3/s比，流量系數(shù)μ=0.871；當(dāng)水庫為校核水位4 102.84 m時(shí)，試驗(yàn)流量為757.6 m3/s，大于設(shè)計(jì)計(jì)算流量503 m3/s，流量系數(shù)μ=0.875。見圖5。

圖5 導(dǎo)流泄洪洞庫水位與流量關(guān)系曲線

4.3 溢洪洞與導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合泄流能力

庫水位為4 102.84 m時(shí)，溢洪洞和導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合泄量為2 017.60 m3/s，比校核洪水1 701.31 m3/s大18.6%，泄水建筑物的整體泄洪規(guī)模滿足設(shè)計(jì)要求。見圖6。

圖6 溢洪洞與導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合泄洪庫水位與流量關(guān)系曲線

5 結(jié) 論

1)溢洪洞泄流能力：當(dāng)庫水位為50年一遇洪水位4 100.59 m時(shí)，試驗(yàn)流量為940.05 m3/s，比設(shè)計(jì)流量906.44 m3/s大3.7%，計(jì)算溢洪洞流量系數(shù)M=0.444；當(dāng)水庫為設(shè)計(jì)水位4 101.47 m時(shí)，試驗(yàn)流量為1 060.00 m3/s，比設(shè)計(jì)流量1 017.59 m3/s大4.0%，流量系數(shù)M=0.442；當(dāng)水庫為校核水位4 102.84 m時(shí)，試驗(yàn)流量為1 253.25 m3/s，比設(shè)計(jì)流量1 198.25 m3/s大4.6%，流量系數(shù)M=0.434。溢洪洞泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

2)導(dǎo)流泄洪洞泄流能力：當(dāng)水庫為設(shè)計(jì)水位4 101.47 m時(shí)，試驗(yàn)流量為736.00 m3/s，計(jì)算泄洪洞流量系數(shù)μ=0.871；當(dāng)水庫為校核水位4 102.84 m時(shí)，試驗(yàn)流量為757.6 m3/s，大于設(shè)計(jì)計(jì)算流量503 m3/s，流量系數(shù)μ=0.875。試驗(yàn)實(shí)測泄洪洞泄流能力大于設(shè)計(jì)計(jì)算值，建議對(duì)泄洪洞進(jìn)口尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

3)聯(lián)合泄流能力：庫水位為校核洪水位4 102.84 m時(shí)，溢洪洞和導(dǎo)流泄洪洞敞泄聯(lián)合泄量為2 017.60 m3/s，大于比校核洪水1 701.31 m3/s，泄水建筑物的整體泄洪規(guī)模滿足設(shè)計(jì)要求。