前坪水庫(kù)導(dǎo)流隧洞下游消力池水力特性研究

蘇曉玉，李松平，王 源，袁吉娜，蘇保印，潘 琨

（1.河南省科達(dá)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003；2.河南省水利科技應(yīng)用中心，河南鄭州 450003；3.河南省水利勘測(cè)有限公司，河南鄭州 450003；4.河南科源水利建設(shè)工程檢測(cè)有限公司，河南鄭州 450003；5.山東中澤工程集團(tuán)有限公司，山東菏澤 274008）

1 工程概況

前坪水庫(kù)導(dǎo)流隧洞布置在大壩右岸山體內(nèi)，導(dǎo)流明渠長(zhǎng)387 m，導(dǎo)流洞軸線總長(zhǎng)760 m。進(jìn)口底板高程343 m，閘孔尺寸7 m×9.80 m（寬×高），洞身城門洞型，長(zhǎng)340 m，斷面尺寸7 m×7.20 m+2.60 m（寬×直墻高+拱高)，出口底板高程342 m，底流消能，導(dǎo)流隧洞消力池末端尾水渠入注河道。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)10 年一遇，庫(kù)水位366.10 m，設(shè)計(jì)流量822 m3/s；20 年一遇，庫(kù)水位372.60 m，設(shè)計(jì)流量973 m3/s.Wz 采用幾何比尺1∶90 正態(tài)水工物理模型試驗(yàn)，對(duì)前坪水庫(kù)導(dǎo)流隧洞原設(shè)計(jì)體型布置方案的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，重點(diǎn)對(duì)前坪水庫(kù)導(dǎo)流洞消力池水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并提出了導(dǎo)流隧洞消力池原設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題和優(yōu)化方案，為工程的設(shè)計(jì)提供參考。

2 模型制作及試驗(yàn)工況

2.1 模型制作

根據(jù)水工模型相似原理，水工模型比尺的選擇必須滿足水流運(yùn)動(dòng)相似準(zhǔn)則和模型水流為紊流。結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地，經(jīng)綜合考慮，確定選用模型幾何比尺為λL=λH=90的正態(tài)模型。并由此確定出其它相關(guān)比尺，見(jiàn)表1。導(dǎo)流洞為施工隧洞由混凝土襯砌而成，糙率0.015，根據(jù)比尺計(jì)算模型糙率7.10×10-3，有機(jī)玻璃糙率0.007～0.008，因此導(dǎo)流洞身采用有機(jī)玻璃制作，下游出口消力池至尾水渠段用水泥砂漿抹制并做成凈水泥表面。模型長(zhǎng)度取為壩上1 189 m至壩下990 m，總長(zhǎng)2 179 m；總寬1 422 m；高度以校核洪水位情況下，上下游水位加20 cm超高控制。

表1 模型試驗(yàn)各物理量比尺表

2.2 消力池原方案體型

原設(shè)計(jì)方案消力池長(zhǎng)度從樁號(hào)0+385.70～0+480.70，總長(zhǎng)95 m，消力池梯形斷面，底寬35 m，正向坡度1∶6.36，底部高程336.50 m，底坎高程342 m。消力池橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 消力池原方案體型圖

2.3 消力池優(yōu)化后體型

修改后消力池樁號(hào)0+395.70～0+470.70，上游縮短10 m，正向坡度1∶4.55，由緩變陡，下游往上游縮短10 m，消力池總長(zhǎng)75 m，底部高程及底坎高程均不變，見(jiàn)圖2。

圖2 消力池修改方案體型圖

3 原設(shè)計(jì)方案泄流試驗(yàn)結(jié)果

3.1 泄流能力

試驗(yàn)在定床基礎(chǔ)上進(jìn)行。導(dǎo)流隧洞為人工開(kāi)挖隧洞，水流流態(tài)為有壓流，在施放10 年一遇洪水時(shí)，試驗(yàn)實(shí)測(cè)泄量為921 m3/s，較設(shè)計(jì)值大12.04%；在施放20年一遇洪水時(shí)，試驗(yàn)實(shí)測(cè)泄量為1 097 m3/s，較設(shè)計(jì)值大12.74%，因此導(dǎo)流隧洞泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 水流流態(tài)

①10年一遇洪水時(shí)，導(dǎo)流隧洞上游水面平穩(wěn)，上游水流緩慢平順地經(jīng)引水渠進(jìn)入閘室，由于進(jìn)口地形不對(duì)稱，壩前一小股水流沿導(dǎo)流洞進(jìn)口左側(cè)進(jìn)入導(dǎo)流洞，產(chǎn)生橫向水流，在導(dǎo)流遂洞進(jìn)口產(chǎn)生一逆時(shí)針?shù)鰷u，漩渦中心位于導(dǎo)流洞進(jìn)口正上方左側(cè)，在導(dǎo)流遂洞進(jìn)口附近游蕩，漩渦最大直徑約1.80 m，表面下陷，導(dǎo)流遂洞內(nèi)水流為滿流，洞頂有氣囊存在。導(dǎo)流遂洞進(jìn)口最大流速約8.12 m/s。下游出口水流在消力池形成水躍，躍首位于0+400.10斷面，躍尾位于0+444.70斷面，長(zhǎng)44.60 m，水流在消力池內(nèi)旋滾，躍高小，面大而弱。水流出消力池后流入彎道，由于水流做曲線運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生離心力，使右側(cè)凹岸水面高于左側(cè)凸岸水面，在彎道起點(diǎn)斷面右岸水深3.18 m，左岸水深2.90 m，在彎道末端斷面右岸水深3.39 m，左岸水深2.47 m。水流出彎道后直接流入尾水渠進(jìn)入下游河道，尾水渠出口分兩股水流，一股直接流入下游灘地進(jìn)而流向下游主河槽，另一股沿尾水渠左岸回流向上進(jìn)入壩下主河槽。②20年一遇洪水時(shí)，與①中不同的是，導(dǎo)流洞進(jìn)口產(chǎn)生兩個(gè)漩渦，一個(gè)漩渦中心位于導(dǎo)流洞進(jìn)口塔架左前方附近，為逆時(shí)針?shù)鰷u，直徑約1.35 m，另一個(gè)為順時(shí)針游蕩型間歇漩渦，直徑最大約0.90 m，漩渦在右側(cè)塔架后逐漸沿塔架游蕩至塔架右側(cè)中間慢慢消失。導(dǎo)流洞內(nèi)滿流，洞頂有少量間歇性氣囊存在。導(dǎo)流洞進(jìn)口最大流速約10.10 m/s。下游出口水流在消力池形成水躍，躍首位于0+402.80斷面，躍尾位于0+465.70斷面，長(zhǎng)62.90 m，彎道起點(diǎn)斷面右岸水深3.73 m，左岸水深3.13 m，彎道末端斷面右岸水深3.94 m，左岸水深2.35 m。

3.3 水流流速及水面線

在兩種特征工況洪水條件下，導(dǎo)流遂洞下游洞身出口沿程布置了7個(gè)斷面進(jìn)行流速測(cè)量，每個(gè)斷面測(cè)量3個(gè)點(diǎn)分別是左岸、軸線和右岸。10年一遇洪水時(shí)，最大臨底流速位于樁號(hào)0+385.70 斷面，為10.99 m/s；20 年一遇洪水時(shí)，最大臨底流速位于樁號(hào)0+385.70 斷面，為15.21 m/s，在裝號(hào)0+420.7 處驟降至2.85～3.33 m/s，因此處出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，水流不穩(wěn)定。

在兩種特征水位10年一遇洪水和20年一遇洪水下，導(dǎo)流洞洞內(nèi)為滿流，導(dǎo)流洞下游水面高程均低于兩側(cè)護(hù)岸高程。

3.4 消力池消能效果

為分析消力池消能效果，對(duì)水躍弗勞德數(shù)和消能率計(jì)算：

式中：Fr為躍前斷面急流的弗勞德數(shù)；v為躍前斷面水流的平均流速；h為躍前斷面的水深；g為重力加速度。

式中：K 為消能率系數(shù)；△E為水躍的消能總量；E1為躍前段的單位能量；E2為躍后段的單位能量。

10年一遇和20年一遇工況下Fr分別為3.53和4.37，2.50＜Fr＜4.50，均屬于顫動(dòng)水躍，消能率分別為33%和43%，水躍不穩(wěn)定，水躍段中的高速底流間歇性地向水面躥升，躍后水面波動(dòng)波較大并向下游傳播，消力池消能效率低。

4 修改方案水力特性試驗(yàn)結(jié)果

4.1 水流流態(tài)

①10 年一遇洪水時(shí)，導(dǎo)流洞上游水流流態(tài)與原方案一致，下游出口水流在消力池形成水躍，水躍躍首向下游移動(dòng)4.90 m，水躍長(zhǎng)度縮短至27 m，水流在消力池強(qiáng)烈翻滾。水流出消力池后平穩(wěn)流入彎道，在彎道起點(diǎn)斷面右岸水深2.69 m，左岸水深2.91 m，在彎道末端斷面右岸水深3.50 m，左岸水深2.77 m。水流出彎道后直接流入尾水渠進(jìn)入下游河道。②20年一遇洪水，導(dǎo)流洞上游水流流態(tài)與原方案一致，下游出口水流在消力池形成水躍，水躍躍首向下游移動(dòng)4.9 m，水躍長(zhǎng)度縮短至31 m，水流在消力池強(qiáng)烈翻滾。水流出消力池后平穩(wěn)流入彎道，在彎道起點(diǎn)斷面右岸水深3.18 m，左岸水深4.08 m，在末端斷面右岸水深3.16 m，左岸水深2.91 m。水流出彎道后直接流入尾水渠進(jìn)入下游河道。

4.2 水流流速及沿程水面線

導(dǎo)流隧洞泄放10年一遇和20年一遇洪水時(shí)，消力池最大流速均位于樁號(hào)0+395.70 斷面，分別為16.54、18.31 m/s，分別增加了50%、21%，在消力池底坎處流速降到10.10、10.59 m/s，水流出彎道后流速繼續(xù)下降至7.75 m/s。導(dǎo)流洞下游水面高程均低于兩側(cè)護(hù)岸高程。

4.3 修改方案消力池效能效果

10 年一遇和20 年一遇工況下Fr分別為4.54 和4.81，4.5＜Fr＜9.0，均屬穩(wěn)定水躍，消能率分別為45%和47%，水躍狀態(tài)穩(wěn)定，下游水流流態(tài)平穩(wěn)，消力池消能效率提高明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)流隧洞原設(shè)計(jì)方案，在10年一遇洪水與20年一遇洪水時(shí)，泄流能力均滿足設(shè)計(jì)要求，但下游消力池效能效果較差?？s短消力池長(zhǎng)度和增加正向坡坡度后，在兩種洪水工況下，效能效果顯著，而且減少工程開(kāi)挖量，節(jié)約了工程投資。