青山水庫泄洪隧洞出口消力池研究

林荷節(jié) ，屠興剛 ，史 斌

（1·杭州市水庫管理服務(wù)中心，浙江 杭州 311122；2·浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310017；3·浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310017）

1 引 言

水工建筑物特別是泄水隧洞、溢洪道等泄水時，水流蘊含巨大的動能。為了便于與下游河道水流銜接，實現(xiàn)急流到緩流的過渡，需采用必要的消能設(shè)施以減小水流的動能。本工程為無壓隧洞，隧洞段有2個彎道，水流出洞后經(jīng)消力池調(diào)整進入電站尾水渠，流態(tài)較復(fù)雜。為驗證出口消力池布置的合理性，通過水工模型試驗對消力池進行對比研究，為設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)，確保工程運行安全。

2 工程概況

杭州市青山水庫防洪能力提升工程（新建泄洪隧洞）位于杭州市臨安區(qū)青山水庫，庫區(qū)位于東苕溪主干流南苕溪上，距臨安中心城區(qū)約8 km，距杭州市區(qū)約40 km，工程平面布置見圖1[1]。

圖1 工程平面布置圖

工程的主要任務(wù)是增加水庫洪水前期泄洪能力，提升水庫攔蓄能力，為洪水精細化調(diào)控奠定良好基礎(chǔ)，并適當兼顧生態(tài)、景觀等需求。工程主要建設(shè)內(nèi)容包括進口閘、泄洪洞及出口閘。

進口閘孔口尺寸12 m，閘底高程16.00 m，設(shè)1道平板事故檢修閘門和1道弧形工作閘門。隧洞長約583 m，進口高程16.00 m，出口高程7.50 m，進口漸變段縱坡為10.0%，其余洞段縱坡為1.1%。隧洞斷面為城門洞型，襯后尺寸為8 m×9 m（寬×高），隧洞有2個彎道，彎道半徑均為146 m。出口閘孔口尺寸8 m，閘底板高程7.50 m，距第二個彎道較近，彎道出口到閘出口約50 m。下游連接段接30 m長的C30F50混凝土消力池，兩側(cè)采用半重力擋墻與現(xiàn)狀岸坡平順連接。

為驗證及改善泄洪隧洞出口消力池的效果，特對消力池尾坎進行不同形式的比較研究。

3 研究方法與模型制作

采用正態(tài)物理模型的方法進行研究，模型按重力相似準則設(shè)計，模型幾何比尺Lr=50。上游模擬至隧洞進口閘前100 m，下游模擬至下游尾水渠與泄洪渠匯合口以下200 m。下游河道地形模擬至17.00 m高程處，設(shè)計模型全長約50 m，水庫高約1.0 m，寬約18 m，下游河道高約0.3 m，寬2~6 m。其中閘室部位采用有機玻璃精制，上、下游地形嚴格按設(shè)計提供的圖紙控制放樣，采用斷面板法，水泥砂漿抹面制作，并在相應(yīng)位置布置水位測針。

4 原布置方案驗證試驗

原布置方案為擴散式消力池，擴散角約11°，消力池底板高程6.50 m，尾坎高程7.50 m。

圖2 局部平面布置圖

驗證試驗結(jié)果表明，設(shè)計工況（Q=364 m3/s）的下游河道為常水位10.0 m，尾水渠內(nèi)水位約為12.0 m，此時水流出泄洪隧洞，消力池未能形成完整的淹沒水躍，中間主流直接沖出消力池，消力坎頂流速為5.7~9.6 m/s，F(xiàn)r=1.05~2.21，流速中間大、兩側(cè)小，分布不均勻。水流出消力池后，主流順著左側(cè)擋墻進入尾水渠，頂沖尾水渠右側(cè)邊坡，頂沖流速約5.5 m/s；小部分水流回向上游，形成大范圍回流，水流流態(tài)極差，影響尾水渠護坡安全。水流流態(tài)見圖3，流速分布見圖4。

圖3 原方案消力池、下游尾水渠流態(tài)圖

圖4 原方案消力池、下游尾水渠流速分布圖 單位：m/s

5 修改方案試驗研究

針對原布置方案存在的問題，修改方案主要從2個方面對原布置進行優(yōu)化：①調(diào)整消力池底板及坎頂高程，降低水流出池流速；②增設(shè)二級消力池，改善電站尾水渠流態(tài)。

5.1 修改方案一

修改內(nèi)容：一級消力池底高程由6.50 m降到6.00 m，尾坎頂高程由7.50 m增至9.50 m，其后接1:10的坡至二級消力池底高程6.00 m，剖面布置見圖5。

圖5 修改方案一剖面布置圖

試驗結(jié)果表明：設(shè)計工況（Q=364 m3/s）的下游河道為常水位，此時水流在一級消力池內(nèi)形成臨界水躍，消力池內(nèi)流態(tài)較差，左右流速不均，主流集中在左側(cè)，右側(cè)則有回流。消力坎上斷面流速為2.6~6.0 m/s，流速左側(cè)大、右側(cè)小，分布不均勻。水流出一級消力池后沿1:10斜坡向下，流速逐漸加大，在斜坡段形成大片急流區(qū)，并在斜坡末端發(fā)生二次水躍。主流集中在左側(cè)擋墻附近，二級消力池內(nèi)主流寬度約25 m，流速左側(cè)大、右側(cè)小，最大流速約4.6 m/s；出消力池后主流進入尾水渠，最大出池流速約3.6 m/s，小部分水流回向上游，形成大范圍回流，水流流態(tài)仍不理想，護坡附近流速較大。水流流態(tài)見圖6，流速分布見圖7。

圖6 修改方案一消力池、下游尾水渠流態(tài)圖

圖7 修改方案一消力池、下游尾水渠流速分布圖 單位：m/s

5.2 修改方案二（推薦方案）

修改內(nèi)容：一級消力池底高程6.00 m，尾坎頂高程由9.50 m改為8.50~10.00 m不等高斜坎，其后接1:2的坡至二級消力池底高程6.00 m，剖面布置見圖8。

圖8 推薦方案剖面布置圖

試驗表明：設(shè)計工況（Q=364 m3/s）下游河道為常水位，水流進入一級消力池，在消力池斜坡底附近形成臨界水躍。由于消力池尾坎左高右低，池內(nèi)主流偏向及回流現(xiàn)象基本消失，消力池流態(tài)明顯改善，實測坎上流速4.1~5.5 m/s，分布較為均勻，與修改方案的流速對比見表1。水流進入二級消力池后，主流基本位于消力池中部，無明顯偏流。出消力池后主流進入尾水渠，最大出池流速約3.5 m/s，小部分水流回向上游，形成回流區(qū)。雖然隧洞與尾水渠存在夾角，但經(jīng)過兩級消力池和不等高斜坎的調(diào)整，水流可以較為均勻地進入尾水渠。水流流態(tài)見圖9，流速分布見圖10。

表1 不同布置方案流速對比表 單位：m/s

圖9 推薦方案消力池、下游尾水渠流態(tài)圖

圖10 推薦方案消力池、下游尾水渠流速分布圖 單位：m/s

6 結(jié) 語

青山水庫泄洪道在平面布置上設(shè)置2段彎道，導(dǎo)致出洞水流直接沖出消力池，對尾水渠護坡沖擊較大。通過水工模型試驗研究，采用非常規(guī)不等高斜坎及增設(shè)二級消力池方案，能有效改善轉(zhuǎn)彎隧洞出口消力池的水流流態(tài)及流速分布，為保障泄洪渠及下游河道的行洪安全提供技術(shù)依據(jù)，該成果可為類似工程提供參考。