長(zhǎng)陡坡泄洪洞泄流能力影響因素的試驗(yàn)研究

王 威

(遼寧興碩水利工程有限公司，遼寧 新民 110300)

1 研究背景

隨著我國(guó)水利工程技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)始在地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)進(jìn)行水利工程建設(shè)。在山區(qū)建設(shè)的水利工程往往處在V型河谷地帶，大壩的壩高相對(duì)較高，綜合考慮項(xiàng)目所處的地形和地質(zhì)條件，大多采取全段圍堰和長(zhǎng)陡坡導(dǎo)流隧洞[1]。在工程建成之后，導(dǎo)流洞一般轉(zhuǎn)換為泄洪洞，與其他泄流建筑物共同配合，增強(qiáng)水利工程應(yīng)對(duì)洪水襲擊的能力。但是，長(zhǎng)陡坡隧洞內(nèi)部的水力問(wèn)題十分復(fù)雜，不僅容易產(chǎn)生對(duì)工程運(yùn)行不利的水利條件，同時(shí)也給其泄流能力造成影響[2]。

清河是遼河左側(cè)的較大支流，流域面積5253km2，河長(zhǎng)171km。清河水庫(kù)位于清河干流上，于1960年主體工程基本竣工，1966年全部竣工。水庫(kù)控制集水面積2376km2，壩址距下游長(zhǎng)大鐵路橋和開(kāi)原縣城約13km。2011年11月8日，遼寧省清河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程正式開(kāi)工建設(shè)，并完成大壩工程、溢洪道工程、泄洪洞工程的建設(shè)[3]。其中，右岸泄洪洞洞徑4.00m，總長(zhǎng)752.00m，進(jìn)口底高程108.00m，泄洪洞出口底高程101.00m。其平均縱坡大于0.38%的臨界縱坡，屬于水力學(xué)長(zhǎng)陡坡隧洞。基于此，此次研究以清河水庫(kù)右岸泄洪洞為例，利用水工模型試驗(yàn)的方式，分析和探討模型試驗(yàn)中長(zhǎng)陡坡隧洞泄流能力的影響因素，以便為相關(guān)研究和工程設(shè)計(jì)提供有益的支持和借鑒。

2 水工模型與試驗(yàn)方法

2.1 模型制作

在背景工程泄洪洞物理模型制作過(guò)程中，根據(jù)弗氏模型相似律以及水流運(yùn)動(dòng)的相似原理進(jìn)行水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)，模型采用整體正態(tài)模型[4]。根據(jù)模型比尺的相關(guān)研究理論，同時(shí)結(jié)合此次研究的實(shí)際需要和現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，在模型設(shè)計(jì)過(guò)程中按照SL 155—95《水工模型試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)要求和工程設(shè)計(jì)，按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)[3]。其中，模型的幾何比尺為1∶25；流速比尺為1∶5；流量比尺為1∶3125；糙率比尺為1∶1.3077；時(shí)間比尺為1∶5。

為了使試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌虮M可能真實(shí)反映背景工程的實(shí)際情況，在水工結(jié)構(gòu)材料選擇過(guò)程中必須要充分考慮材料的糙率，雖然不能保證材料的糙率嚴(yán)格滿足相似性要求，但是差異不能過(guò)大，否則就會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果的精度[5]。根據(jù)各種常用材料的糙率特征，模型中的泄水建筑物使用有利玻璃制作，其余附屬結(jié)構(gòu)使用水泥磚和水泥砂漿制作。綜合考慮制作成本和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型的模擬范圍為泄洪洞進(jìn)口上游500m，泄洪洞下游出口1000m。

2.2 試驗(yàn)條件與方法

水工模型試驗(yàn)供水系統(tǒng)設(shè)施包括蓄水池、動(dòng)力泵、尾水池、配水管和回水槽等。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)潛水泵將地下蓄水池中的水經(jīng)過(guò)輸水管道輸送至高位蓄水池中，利用上游閘門的控制和調(diào)節(jié)，使量水堰的水位和水量達(dá)到試驗(yàn)要求，然后開(kāi)始試驗(yàn)觀測(cè)，并記錄好相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。模型的下瀉水流經(jīng)過(guò)下游的尾水池收集并最終進(jìn)入地下蓄水池，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用[6]。

試驗(yàn)過(guò)程中的水位和水面線的測(cè)量使用的是水位測(cè)針和水位跟蹤儀，測(cè)量的精度為0.1mm；試驗(yàn)中的流速測(cè)量采用的是南京水科院研制的便攜式流速儀，其測(cè)量精度為0.01m/s；試驗(yàn)中的流量測(cè)量采用的是矩形量水堰，其量程和精度均滿足試驗(yàn)要求。

為了達(dá)到試驗(yàn)精度，在試驗(yàn)開(kāi)始之前首先進(jìn)行預(yù)放水試驗(yàn)，以排除管道內(nèi)的氣體對(duì)流量的影響。在試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中，需要逐級(jí)緩慢調(diào)節(jié)流量的大小，直至流量達(dá)到試驗(yàn)的預(yù)設(shè)值并穩(wěn)定，避免流量的快速波動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.3 試驗(yàn)方案

長(zhǎng)陡坡隧洞在泄流能力方面存在較為突出的問(wèn)題，清河水庫(kù)右岸泄洪洞在設(shè)計(jì)洪水位運(yùn)行期間，其壩前水位并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)水位，且存在比較明顯的差距，這說(shuō)明泄洪洞存在一定的超泄現(xiàn)象。基于此，此次試驗(yàn)通過(guò)驗(yàn)證50、100、150、200、250、300、400、500m3/s等不同預(yù)估流量條件下上游水位和泄流能力之間的關(guān)系，探討地形、糙率、坡度和彎道等因素對(duì)泄洪洞泄流能力的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 地形

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭嗅槍?duì)下游河床的地形條件進(jìn)行定床模型優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化前后的泄流能力進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出如圖1所示的水位流量曲線。由圖可以看出，在下游河床地形優(yōu)化之后，庫(kù)水位116～124m之間時(shí)泄洪洞的泄流能力提升比較明顯，其余低水位和高水位則比較接近。由此可見(jiàn)，地形優(yōu)化對(duì)泄洪洞泄流能力的影響主要集中在水庫(kù)的中高水位。

圖1 地形修改前后庫(kù)水位與流量關(guān)系曲線

3.2 糙率

泄洪洞的糙率是泄流能力計(jì)算的關(guān)鍵性參數(shù)，由于長(zhǎng)陡坡隧洞的洞身長(zhǎng)度較大，因此糙率對(duì)沿程水頭損失的影響會(huì)更大，而水頭損失會(huì)直接影響泄洪洞泄洪過(guò)程中的流量系數(shù)，進(jìn)而對(duì)泄流能力造成比較明顯的影響[7]。對(duì)水工隧洞的設(shè)計(jì)而言，如果選擇的糙率偏大，會(huì)導(dǎo)致泄流量的計(jì)算結(jié)果偏小，進(jìn)而需要加大壩高，增加施工成本和工期。如果取值偏小，則會(huì)導(dǎo)致泄流量計(jì)算值偏大，從而造成工程隱患[8]。在水工模型試驗(yàn)中，糙率的相似性與材料屬性和比尺存在明顯關(guān)聯(lián)。以此次試驗(yàn)中使用的有利玻璃為例，在不同比尺下的糙率相對(duì)誤差見(jiàn)表1。由表中的結(jié)果可以看出，即使選擇1∶20的模型比尺，其糙率的誤差也偏大26%左右，而這必然后導(dǎo)致泄流量計(jì)算結(jié)果偏小。為了解決這一問(wèn)題，在模型試驗(yàn)中一般采用變態(tài)比尺和修正洞長(zhǎng)的方式，但是這兩種方法都有其不足之處。因此，此次研究采用一種改進(jìn)修正的方式，在試驗(yàn)中保證泄洪洞局部水頭損失和原型工程的相似性，而沿程水頭損失則通過(guò)引入曼寧公式，采用沿程阻力系數(shù)進(jìn)行描述，以分析糙率的實(shí)際影響。其換算公式為：

(1)

式中，ΔH—糙率修正增量；Q—實(shí)測(cè)流量，m3/s；np—原型糙率；L—洞長(zhǎng)，m；R—水力半徑，m；A—過(guò)流斷面面積，m2。

表1 有機(jī)玻璃糙率相對(duì)誤差

按照上述方法對(duì)背景工程糙率進(jìn)行修正并試驗(yàn)，獲得修正前、修正后以及工程實(shí)測(cè)的庫(kù)水位和流量之間的關(guān)系，其變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，修正后的試驗(yàn)結(jié)果更接近工程實(shí)際，同時(shí)也說(shuō)明糙率對(duì)泄洪洞的泄流能力存在十分顯著的影響。

圖2 糙率修正前后庫(kù)水位與流量關(guān)系曲線

3.3 坡度

在工程實(shí)際中，水工隧洞的底坡坡度主要和進(jìn)口和出口底板的高程有關(guān)，同時(shí)需要考慮水工隧洞運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際要求，因此坡度一般在0.35%以下。但是，在長(zhǎng)陡坡隧洞工況下，坡度對(duì)泄流量的影響就不容忽視。因此研究中，選擇0、0.38%、0.72%、1.1%、1.5%等5種不同的坡度進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得如圖3所示的庫(kù)水位和泄流量的變化曲線。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)泄流量較小的情況下，坡度對(duì)泄流量的影響不大，各個(gè)坡度下的泄流量變化曲線接近于一條曲線，當(dāng)泄流量較大是，坡度對(duì)泄流量的影響較為明顯，且坡度越大，泄洪洞的泄流能力越強(qiáng)。

圖3 不同坡度庫(kù)水位與流量關(guān)系曲線

3.4 彎道

在水利工程中隧洞帶彎道的情況比較常見(jiàn)，而彎道水流也主要表現(xiàn)為急流，并可能對(duì)隧洞的泄流能力造成影響?；诖?，此次研究中對(duì)泄洪洞模型進(jìn)行改裝，在直管道的基礎(chǔ)上增加彎度為54°的彎道并進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出如圖4所示的有無(wú)彎道情況下的庫(kù)水位和泄流量之間的關(guān)系。由圖可以看出，有彎道的泄洪洞和無(wú)彎道的泄洪洞在泄流能力上存在微小的差異，但是總體變化規(guī)律相對(duì)一致。由此可見(jiàn)，彎道對(duì)泄洪洞泄流能力的影響相對(duì)較小。

圖4 有無(wú)彎道庫(kù)水位與流量關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

此次研究以遼寧省清河水庫(kù)右岸泄洪洞為例，利用水工模型試驗(yàn)的方式探討了長(zhǎng)陡坡泄洪洞泄流能力的影響因素。結(jié)果顯示，出口地形、糙率、坡度和彎道都會(huì)對(duì)長(zhǎng)陡坡泄洪洞的泄流能力產(chǎn)生影響，且影響的程度有所不同。其中，影響最大的是泄洪洞的糙率，其次是泄洪洞的坡度，再次是泄洪洞出口的地形，影響最小的是有無(wú)彎道。研究結(jié)論有助于對(duì)長(zhǎng)陡坡泄洪洞水力特征的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，對(duì)長(zhǎng)陡坡水工隧洞的設(shè)計(jì)，特別是過(guò)流能力的計(jì)算具有一定的參考價(jià)值。當(dāng)然，長(zhǎng)陡坡水工隧洞的泄流能力的影響因素眾多，特別是泄流能力計(jì)算方面還沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算公式，在后續(xù)研究中需要予以重點(diǎn)關(guān)注，促進(jìn)水工隧洞過(guò)流理論的發(fā)展和完善。