猴子巖水電站深孔泄洪洞水力特性深入研究

徐 威

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

?

猴子巖水電站深孔泄洪洞水力特性深入研究

徐 威

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文根據猴子巖水電站深孔泄洪洞水力學設計有關成果，結合招標階段深化水力學物理模型試驗研究內容，對需重點解決的高速水流水力特性問題進行深入分析研究，揭示了不同摻氣坎體型、不同補氣設施體型下泄洪洞的水力特性，并結合猴子巖泄洪洞具體的工程特點和水流條件，提出了有針對性的技術解決方案和評價，在解決本工程摻氣減蝕問題的同時也為類似工程設計提供參考。

泄洪洞；水力特性；摻氣；洞頂余幅；壓強分布；補氣

0 前 言

猴子巖水電站具有“水頭高、泄量大、河谷窄、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點。泄洪建筑物布置受限于上游右岸磨子溝、下游左岸泥洛堆積體，各建筑物布置較為緊湊；其中，深孔泄洪洞布置于河道左岸，受地形條件限制軸線上必須設一道轉彎，故設計為有壓接無壓洞的布置型式，采用挑流消能；由進水口、有壓洞段、工作閘室段、無壓洞段、明渠段、出口挑坎等組成，其中，工作閘室布置于有壓轉彎洞段之后。根據泄量分配設計及調洪演算成果，泄洪洞控制閘門尺寸設計為12 m×9 m(寬×高)，最大泄量2 987 m3/s，出口最大流速約42 m/s。

深孔泄洪洞擔負著工程重要的泄洪任務，使用頻率較高，且下泄流量大、水力學條件復雜，考慮到其能否安全可靠運行，將直接影響本工程土石壩樞紐的安全。因此，在可行性研究階段研究成果的基礎上，在招標階段深入開展了1∶25的大比例水力學模型試驗深化研究，對猴子巖深孔泄洪洞水力特性進行了進一步試驗論證，為深孔泄洪洞的體型設計和安全運行提供科學依據和理論指導。下面將主要結合設計分析及試驗成果中有關摻氣坎體型、洞頂余幅、流道壓強分布、補氣設施設置等研究內容進行分析論述。

1 試驗工況擬定

根據調洪演算成果及進一步深入研究需要擬定的試驗工況及對應泄量(計算成果)見表1。

表1 試驗工況

2 摻氣坎體型研究

2.1 摻氣坎體型初擬

根據泄洪洞摻氣減蝕需要，在無壓洞段共設置兩道摻氣坎，從上游到下游分別為1號、2號摻氣坎。根據原可研階段成果，2號摻氣坎在各種工況下均能充分摻氣，而1號摻氣坎在某些工況下摻氣效果不理想，因此重點對1號摻氣坎進行了優化研究，通過模型試驗對6個摻氣坎體型組合方案進行了深入試驗研究。具體體型參數見表2。

表2 摻氣坎體型參數

2.2 摻氣坎試驗成果及推薦體型

(1)方案一試驗發現該方案1號摻氣坎下積水較為嚴重，平均積水高度1.2 m，摻氣效果不理想。

(2)方案二是在方案一的基礎上將1號摻氣坎高度增加到1.75 m，其余尺寸不變，該體型摻氣效果有所改善，摻氣坎下平均積水高度1.0 m，空腔長度為25 m，坎下積水波動較大，偶爾與水舌底緣接觸，摻氣效果仍不理想。

(3)方案三將1號摻氣坎水平長度縮短為15 m，摻氣坎高度為1.75 m，實測結果表明，該體型摻氣坎下平均積水高度為0.8 m，空腔長度為28 m，積水沒有封閉通氣井，摻氣順暢。

(4)方案四將1號摻氣坎水平長度縮短為7.5 m，摻氣坎高度設為1.75 m。相對于方案三，該體型摻氣效果有顯著改善，在各主要工況，摻氣坎下無積水，摻氣空腔長度為40 m，泄洪洞底板雖有積水，但積水不影響摻氣。

(5)方案五中1號摻氣坎長度為7.5 m，高度減為1.5 m，摻氣坎下無積水，空腔長度25 m，泄洪洞內流態基本穩定，摻氣效果良好。該方案水深、壓強、摻氣濃度、洞頂余幅等水力學指標均滿足規范要求，但因1號及2號摻氣坎較高(1.5 m)，坎上水流跌落后，水面波動較大，偶爾出現濺水打頂現象。另外，1號摻氣坎處的水流流速較大(最大為33 m/s)，Fr較小(校核工況Fr=4.0)，1號摻氣坎后的側墻可能出現空蝕問題。

(6) 方案六著重解決方案五存在的主要兩個問題，首先解決既能很好解決摻氣問題又不至于帶來洞內水流經過摻氣坎后的較大波動問題，故研究將1號摻氣坎坎高降低為1.2 m，水平方向長保持7.5 m不變。同時，為了防止側墻空蝕問題，坎兩側設收縮式側摻氣坎，側摻氣坎高0.15 m，水平方向長7.5 m，平面收縮坡度1∶50；2號摻氣坎坎高降低為1.0 m，水平方向長20 m，無側摻氣坎。方案六摻氣坎體型參數詳見圖1及圖2，1號摻氣坎附近流態照片見圖3。

1號摻氣坎(單位：cm) 2號摻氣坎(單位：cm)

圖1 1號及2號摻氣坎縱剖面示意

圖2 1號摻氣坎側墻平面示意(單位：m)

(7)綜合上述試驗成果，方案六在之前多方案試驗成果的基礎上，通過合理設置底、側摻氣坎體型既很好的解決了1號摻氣坎由于Fr較小摻氣較困難的問題，同時，也最大限度的降低了坎高，避免了水流經過摻氣坎后形成不利波動的問題。試驗結果表明，1號及2號摻氣坎摻氣順暢，坎下均無積水，泄洪洞內流態穩定，無水流沖頂現象，該方案作為推薦方案，后續研究內容以方案六體型進行。

3 泄洪洞摻氣水深及洞頂余幅研究

3.1 摻氣水深試驗及計算結果

在完成模型試驗水深實測后選取《水工隧洞設計規范》推薦公式、王俊勇公式及按佛汝德數計算的經驗公式對摻氣水深進行了對比分析。對于猴子巖深孔泄洪洞模型試驗實測水深而言，水流經過摻氣坎后，水體已充分摻氣，若按照模型實測水深為基準計算摻氣水深，則得到的摻氣水深偏大，故采用能量方程逐段推求泄槽水深，作為計算摻氣水深的清水水深，并結合實測摻氣坎水舌軌跡計算摻氣水流水面線，進而算出摻氣水流的洞頂余幅。采用上述三種方法計算校核洪水工況下(庫水位1845.41)的摻氣水深，計算成果詳見表3。從表中可以看出，三種公式計算出的摻氣水深及洞頂余幅差別較大，綜合各方面因素，選取《水工隧洞設計規范》推薦公式計算結果進行后續計算分析。

圖3 校核水位閘門全開工況1號摻氣坎流態

樁號/m實測水深/m計算清水水深/m流速/m·s-1摻氣水深/m《規范》公式王俊勇公式Fr公式備注389．68．18．130．711．69．28．6429．68．67．732．311．28．98．2449．69．157．632．812．310．09．3462．19．977．234．612．010．19．1474．69．777．135．111．89．68．91號摻氣坎位置487．19．167．035．610．58．37．6524．67．576．737．210．28．17．4549．67．456．538．311．08．98．2562．27．706．438．911．08．98．3574．77．066．438．910．98．88．22號摻氣坎位置612．47．56．240．19．77．77．06507．26．041．59．57．56．9662．47．15．942．29．47．46．8

3.2 洞頂余幅分析評價

根據試驗與計算結果分析：1號摻氣坎后因水面雍高，該處的實測水深(指水面到底板的垂直距離)最大，校核工況時為9.97 m；經計算，在校核工況，1號摻氣坎后水面最高斷面水舌厚度(理論清水厚度)h為7.2 m，則摻氣后的水舌厚度ha=7.2×(1+1.4×34.6/100)=10.7 m，考慮水舌下緣約1.3 m的空腔高度，則水面到底板的距離為12.0 m，在不考慮底部摻氣空腔時對應的面積洞頂余幅為20.5%，其余無壓洞段洞頂余幅大于20.5%，滿足《水工隧洞設計規范(DL/T 5195-2004)》的要求，泄洪洞斷面尺寸合適。

4 流道壓強分布規律

4.1 有壓轉彎段壓強分布

本泄洪洞有壓轉彎段為平面轉彎設計，深入研究試驗對不同工況下轉彎段兩側不同高程的時均壓強進行了測量，分析由于平面轉彎對于結構壁面壓力的影響。在各試驗工況下，有壓轉彎段的壓強范圍為(10.6 ～54.1)×9.81 kPa，閘門局開時壓強大，全開時壓強小；不同斷面頂部與底部壓差基本一致，約為13×9.81 kPa；由于有壓轉彎段左、右兩側因水流轉彎離心力的作用，存在一定的壓差，根據實測成果，兩側的最大壓差約為7.9×9.81 kPa，出現在校核及設計水位閘門全開工況。轉彎段后有壓洞段～工作門前水流調整是否充分，將直接影響門前、門后隧洞的抗蝕性能。

4.2 無壓洞段壓強分布

試驗實測了各工況下各部位的時均及脈動壓強，從實測成果可以看出，水舌入水點附近時均及脈動壓強相對較大，底板最大時均壓強為13.6 m，最大脈動壓強均方根為2.1 m。結合空腔長度測量結果，1號、2號摻氣坎后的水舌落點范圍分別為泄0+460 m～泄0+475 m及泄0+560 m～泄0+570 m。

5 泄洪洞補氣設施研究

5.1 補氣設施體型研究

可研階段在工作閘室右側布置一條4.5 m×6.0 m的圓拱直墻形補氣洞，1號、2號摻氣坎側面通氣井截面積均為1.6 m2。試驗測得補氣洞最大風速為72.2 m/s，1號摻氣坎通氣井最大風速為47.6 m/s。初步分析認為風速偏大，補氣洞及通氣井通氣面積宜適當擴大。同時，由于水流通過摻氣坎后為拋射運動，若摻氣坎旁通氣窗采用矩形斷面形式，水舌在空中運動過程中軌跡會與斷面出現重疊部分，影響補氣效果，因此為適應水舌軌跡，提出采用梯形斷面作為通氣窗的設計形式，補氣洞布置及摻氣坎通風井設計簡圖見圖4～6。

圖4 補氣洞平面簡圖(除標注外，其余單位：cm)

圖5 1號摻氣坎通氣井縱剖面示意(單位：cm)

圖6 2號摻氣坎通氣井縱剖面示意(單位：cm)

5.2 泄洪洞補氣設施有效性評價

優化體型實測結果見表4，從表中可以看出，各補氣設施最大風速為44.3m/s，補氣洞斷面設計合適。

表4 補氣洞實測風速及通風量

6 結束語

本文通過對深入模型試驗成果的整理，進一步分析研究了猴子巖深孔泄洪洞的水力特性，對摻氣坎體型進行了優化設計，觀測了各工況下泄洪洞水流流態及摻氣空腔形態、實測了泄洪洞沿程水深、時均及脈動壓強、摻氣濃度、各通風設施的風速、風量等參數，并結合猴子巖泄洪洞具體的工程特點和水流條件，提出了適應水舌軌跡的梯形補氣窗設計形式，解決了猴子巖泄洪洞摻氣減蝕的工程設計問題。

2016-09-15

徐威(1977-)，男，遼寧鞍山人，高級工程師，從事水工設計及勘測設計管理工作。

TV651.3

B

1003-9805(2016)04-0024-05