前坪水庫泄洪洞泄流能力及沖刷消能試驗研究

趙雪萍 李宜倫 趙玉良 李松平 袁群 賈文博 蘇曉玉

摘 要：為了驗證前坪水庫泄洪洞原布置方案的合理性，根據(jù)弗勞德定律，采用1∶40的單體正態(tài)模型進行試驗，研究了泄洪洞各試驗工況下的泄流能力、時均壓力分布、水面線及洞身余幅、消能防沖效果等。結果表明：前坪水庫泄洪洞泄流能力滿足要求;泄洪洞檢修閘門槽最小空化數(shù)1.23，大于閘門初生空化數(shù)0.7，閘門槽設計合理，滿足規(guī)范要求;泄洪洞洞身摻氣水深均小于直墻高度，洞身余幅均大于15%，滿足設計和規(guī)范要求;校核工況下，泄洪洞沖坑最深點高程為327.34 m，水流對下游山體造成一定的沖刷，需要對山體采取抗沖刷措施。

關鍵詞：模型試驗;泄流能力;水流空化數(shù);洞身余幅;沖刷坑;前坪水庫

中圖分類號：TV131.61 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.025

引用格式：趙雪萍，李宜倫，趙玉良，等.前坪水庫泄洪洞泄流能力及沖刷消能試驗研究[J].人民黃河，2021，43（4）：134-136.

Abstract： In order to verify the rationality of the original layout scheme of the spillway tunnel of Qianping Reservoir， according to Froudes law， the discharge capacity， time average pressure distribution， water surface profile and residual amplitude of tunnel body， energy dissipation and scour prevention under various test conditions were studied by using a 1∶40 monomer normal model. The test results show that the discharge capacity of the spillway tunnel of Qianping Reservoir meets the requirements， and the minimum cavitation number of the maintenance gate slot of the spillway tunnel is 1.23， which is 0.7 greater than that of the initial cavitation number. The gate slot design is reasonable and meets the requirements of the specification. The aerated water depth of the flood discharge tunnel body is less than the height of the vertical wall， and the residual amplitude of the tunnel body is more than 15%， which meets the design and specification requirements. Under the check condition， the elevation of the deepest point of the flood discharge tunnel is 327.34 m， and the water flow causes certain scouring on the downstream mountain， so it is necessary to take anti scouring measures for the opposite mountain.

Key words： model test; discharge capacity; water flow cavitation number; residual width of tunnel body; scour pit; Qianping Reservoir

1 工程概況

河南省前坪水庫位于洛陽市汝陽縣前坪村附近，是國家172項重大水利工程建設項目之一，水庫控制流域面積1 325 km2，總庫容5.90億m3，為Ⅱ等大（2）型工程。樞紐工程由主副壩、泄洪洞、溢洪道、輸水洞及消能防沖建筑物等組成。

泄洪洞布置在溢洪道左側(cè)，軸線總長689 m，進口洞底高程為360.00 m，進口頂部為一橢圓形曲線（曲線方程為x2/7.52+y2/2.52=1），控制段采用閘室有壓短管式，閘孔尺寸為6.5 m×7.5 m（寬×高），洞身采用無壓城門洞形隧洞，斷面尺寸為7.5 m×8.4 m+2.1 m（寬×直墻高+拱高），洞身段長度為518 m，出口消能方式采用挑流消能，鼻坎高程為351.75 m。設檢修閘門和工作閘門：檢修平板鋼閘門尺寸為6.5 m×8.7 m（寬×高），采用固定式卷揚啟閉機啟閉;檢修門后設弧形工作鋼閘門，工作閘門孔口尺寸為6.5 m×7.5 m（寬×高），采用液壓啟閉機啟閉。為驗證前坪水庫泄洪洞原設計體形布置方案的合理性，采用幾何比尺1∶40單體正態(tài)模型試驗對前坪水庫泄洪洞的水力特性進行了試驗研究，并提出了泄洪洞原設計體形存在的問題和優(yōu)化方案，為該工程的設計和運行管理提供可靠的理論依據(jù)。

2 模型制作及試驗方案

2.1 模型制作

按弗勞德定律[1-3]設計模型，模型為正態(tài)模型，幾何比尺Lr=40，模擬范圍主要包括泄洪洞進口部分庫區(qū)、引渠段、閘室段、洞身段、出口挑流消能段、下游主河槽及兩岸山體。模擬范圍為泄洪洞軸線進口以上80 m處至挑流鼻坎以下200 m，總長度890 m;為不影響泄洪洞進口水流，模型寬度滿足水箱邊墻到泄洪洞進口兩側(cè)寬度大于進水口總寬4倍的要求;模型高度滿足校核洪水的超高控制要求。

根據(jù)糙率相似準則[1-3]，泄洪洞進口引水渠和出口翼墻用水泥砂漿抹面;泄洪洞進出口和洞身采用有機玻璃制作;模型主河槽及兩岸山體采用水泥粗砂漿粉面拉毛。

2.2 試驗工況

試驗的3種特征工況為：①50 a一遇洪水，庫水位417.20 m，設計流量1 334 m3/s;②500 a一遇（設計）洪水，庫水位418.36 m，設計流量1 350 m3/s;③5 000 a一遇（校核）洪水，庫水位422.41 m，設計流量1 402 m3/s。

3 水力特性試驗結果與分析

3.1 泄流能力

泄洪洞各特征工況下泄流能力試驗結果見表1。工況①時泄洪洞試驗流量為1 388 m3/s，比原設計值增加4.05%;工況②時泄洪洞試驗流量為1 407 m3/s，比原設計值增加4.22%;工況③時泄洪洞試驗流量為1 464 m3/s，比原設計值增加4.42%，由此可見泄洪洞的泄流能力滿足設計要求。

3.2 水流流態(tài)及流速

當水位高于360.00 m時，泄洪洞開始過流，水流緩慢平順通過閘室流向下游，水流經(jīng)過閘室以后在泄洪洞內(nèi)形成水躍。水躍隨著水位的升高旋滾逐漸加劇，并向下游推移（洞內(nèi)無水流封頂?shù)默F(xiàn)象）。當水位上升至368.23 m時，水流經(jīng)挑流鼻坎挑流向下游。

試驗觀測發(fā)現(xiàn)，水位為367.50 m時，斜壓板末端與過閘水流完全接觸，頂板對過閘水流的約束作用開始顯現(xiàn)（見圖1）。當水位繼續(xù)升高至374.80 m附近時，泄洪洞進口塔架前方出現(xiàn)了直徑約0.6 m的逆時針間歇性游蕩旋渦，能看到明顯氣柱，隨著水位的上升，旋渦間斷不連續(xù)，時而出現(xiàn)時而消失。在水位升高至379.30 m附近時，旋渦直徑開始變小，僅表面下陷不再貫通，每次出現(xiàn)的間隔時間比較長且迅速消失。水位升至385.33 m附近時，在塔架前方進口右側(cè)間斷形成直徑約0.9 m的順時針游蕩旋渦，塔架前方左側(cè)偶爾形成直徑約0.5 m的逆時針游蕩旋渦，此時兩旋渦都不貫通僅表面下陷，并且兩旋渦時而并存，時而交替出現(xiàn)（見圖2）。水位升至389.20 m附近時，基本無旋渦，偶爾隨著進口右側(cè)水體的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生順時針直徑不大于1 m的表層未貫通旋渦。水位升至395.95 m附近后，進口表面水體沿塔架周圍順時針緩慢轉(zhuǎn)動，無旋渦產(chǎn)生。

由試驗結果可知，水位為417.20 m時，洞內(nèi)流速范圍為17.97～27.09 m/s;水位為418.36 m時，洞內(nèi)流速范圍為19.84～27.88 m/s;水位為422.41 m時，洞內(nèi)流速范圍為20.80～28.55 m/s。最大流速出現(xiàn)在0+042斷面，為28.55 m/s;最小流速出現(xiàn)在0+575.60處，為13.70 m/s。

3.3 起挑、收挑

根據(jù)試驗觀測可知，泄洪洞閘門在局部開啟和全部開啟的情況下，水流起挑前均在洞內(nèi)形成水躍，水躍強度較弱，躍后水深小，躍后水流并沒有封頂。泄洪洞起挑前洞內(nèi)流態(tài)見圖3。隨著閘門開度的增大，起挑、收挑水位逐漸降低，相應的流量逐漸增大。閘門全開時，起挑水位為368.23 m，起挑流量為277.12 m3/s;收挑水位為366.44 m，收挑流量為222.36 m3/s。

3.4 動水時均壓力

（1）頂板動水時均壓力。泄洪洞進口頂板動水時均壓力在各種工況下變化趨勢基本一致，進口頂板橢圓曲線段壓力緩慢下降，表現(xiàn)為水流收縮;壓板起始段壓力較大，表現(xiàn)為水流沖擊作用，壓力在該處變化大。各級工況下，除樁號0+000.50處出現(xiàn)負壓外，其余均為正壓，且隨著庫水位的升高壓力變化趨于平緩。工況①樁號0+000.50處頂板的負壓水頭為-3.73 m，工況②樁號0+000.50處頂板的負壓水頭為-3.17 m，工況③樁號0+000.50處頂板的負壓水頭為-3.01 m。

（2）閘門槽動水時均壓力及水流空化數(shù)。泄洪洞檢修門槽寬3.0 m、深1.60 m，寬深比1.88;該門槽為Ⅰ型門槽，初生空化數(shù)為0.7。根據(jù)試驗成果可知，實測的最小空化數(shù)為1.23，大于閘門初生空化數(shù)0.7，閘門發(fā)生空蝕破壞的可能性較小，閘門槽設計合理，滿足規(guī)范要求。

（3）底板動水時均壓力。泄洪洞底板時均壓力在各級工況下，除樁號0+032處出現(xiàn)負壓外，其余均為正壓。工況①樁號0+032處底板的負壓水頭為-0.85 m，工況②樁號0+032處底板的負壓水頭為-1.01 m，工況③樁號0+032處底板的負壓水頭為-1.33 m。建議施工時嚴格控制閘室段的平整度[4-8]。

3.5 水面線及洞頂余幅

水流出有壓短管跌落后逐漸加速，水深沿程遞減。沿洞身摻氣水深[9]最大值即余幅最小值位于洞出口前0+550斷面附近，工況①對應最小余幅為22.26%，工況②對應最小余幅為21.55%，工況③對應最小余幅為19.29%。各工況下，泄洪洞洞身摻氣水深均小于直墻高度，洞身余幅均大于15%，滿足設計和規(guī)范要求。

4 沖刷消能研究

本試驗為下游局部動床試驗，采用巖塊幾何縮制法與抗沖流速相似法相結合的綜合模擬方法。覆蓋層根據(jù)現(xiàn)場取樣篩分試驗結果采用幾何縮制法來模擬;基巖模擬根據(jù)抗沖流速相似法確定基巖沖刷的模型砂[10-12]。模型砂粒經(jīng)Dm根據(jù)基巖的抗沖流速Vp確定（下標p表示原型、m表示模型），Vp=（5～7）D0.5p或Vm=（5～7）D0.5m、Vm=Vp/L0.5r。根據(jù)前坪水庫地質(zhì)資料，可以認定泄洪洞軸線下游基巖巖性為輝綠巖，由《水力學計算手冊》查得，原型抗沖流速為22 m/s，相應的模型流速為3.48 m/s，基巖可采用對應流速的散粒礫石體來模擬。

工況①泄洪洞挑距為44 m，泄洪洞沖坑最深點高程為329.50 m;工況②泄洪洞的挑距為46 m，泄洪洞沖坑最深點高程為329.18 m;工況③泄洪洞的挑距為48 m，泄洪洞沖坑最深點高程為327.34 m。

5 結論與建議

通過模型試驗模擬了前坪水庫泄洪洞水流運動規(guī)律，驗證了泄洪洞各水力特性均滿足設計要求;通過下游沖刷試驗研究發(fā)現(xiàn)，水流對下游山體造成一定的沖刷，建議對泄洪洞出口下游山體采取防護措施;研究成果為該工程的設計和運行管理提供了理論依據(jù)。

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【責任編輯 張華巖】