某水電站導流洞出口體型優化設計

涂小飛，鄔 旺

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川省成都市 610072；2.中交第四航務工程局有限公司，廣東省廣州市 510290）

0 引言

本文以某水電站為依托，采用水力學模型試驗的研究方法對導流洞過流的一系列指標進行驗證和比較，得出導流洞出口體型的優化方案。

1 研究背景

某水電站導流設計標準為20年一遇，流量較大，受壩址區地形條件限制，2條導流洞均布置于河床右岸，導流洞出口采用斜向出洞的結構型式。設計過程中采用模型試驗的方法對導流洞出口布置及結構體型進行優化。

原設計方案導流洞出口布置見圖1。導流洞出口及下游河道水流流態如圖2（a）、（b）所示，下游河道沖淤形態如圖 2（c）、（d）所示。

圖1 導流洞出口布置Figure 1 Layout of diversion tunnel outlet

通過對導流洞出口及下游河道水流流態、流速分布和河床沖淤形態的試驗觀測發現，原方案導流洞出口水流消能防沖主要存在以下問題：

（1）導流洞進出口底板落差較大（達11m），下游水位較低。當過流量較大時，導流洞出口為自由出流，水流與下游河道水面以面流形式銜接，消能效果較差。實測5年一遇流量時，導流洞出洞流速約為16.7m/s，出口右邊墻末端水流流速約為14.6m/s， 20年一遇流量（設計流量）時，導流洞出洞流速約為20.2m/s，出口右邊墻末端水流流速約為15.9m/s。

（2）導流洞軸線與河道交角過大，導流洞出流歸槽性較差；當過流量較大時，右岸兩條導流洞出流頂沖對岸，對左岸岸坡沖刷較嚴重，且部分水流頂沖岸坡后折向上游，在下游圍堰處形成較大回流，對圍堰穩定產生影響。設計流量時，下游圍堰附近回流流速約3.9m/s，下游河道左岸岸邊最大流速為7.1m/s，河道最大沖深點高程為2059.9m，比導流洞出口底板高程低22.1m，位于導流洞出口對岸附近。

2 基于模型試驗的出口體型優化

2.1 修改方案一：增大導流洞出口邊墻擴散角

為了改善導流洞出口水流歸槽情況，減輕對左岸及下游河道的沖刷，在原布置方案基礎上，修改方案一將1號導流洞出口右邊墻的擴散角由6°增大至9°，2號導流洞出口右邊墻的擴散角由6°增大至12°［1］，出口體型布置詳見圖3。

試驗結果表明，導流洞出口右邊墻擴散角增大后，導流洞出口水流歸槽性仍較差，導流洞出流仍頂沖對岸。由于導流洞出口底板高程維持不變，導流洞過流量較大時，出口水流為面流消能，消能效果較差，水流對下游河道沖刷較嚴重［2］。實測設計流量時，修改方案一導流洞出洞流速為 20.2m/s，下游圍堰附近回流流速約為3.2m/s，下游河道左岸岸邊最大流速約為6.5m/s，下游河道最大沖深點高程為2060.00m，比導流洞出口底板高程低22.00m，位于導流洞出口對岸附近。同時，導流洞出口邊墻擴散角過大，出洞水流在強慣性作用下，出口邊墻將出現水流脫流現象［3］，設計流量下導流洞出口水流流態及河道沖淤形態見圖4。

圖2 原設計方案導流洞出口水流流態及下游河道沖淤形態（a） 5年一遇流量出口水流流態；（b） 20年一遇流量出口水流流態；（c） 5年一遇流量河道沖淤形態；（d） 20年一遇流量河道沖淤形態Figure 2 Flow pattern and river erosion of previous scheme（a）Flow pattern of 20% frequency flood；（b）Flow pattern of 5%frequency flood；（c）River erosion of 20% frequency flood；（d）River erosion of 5% frequency flood

圖3 修改方案一導流洞出口體型布置圖（注：圖中樁號及尺寸均以m計）Figure 3 Layout of diversion tunnel outlet（scheme 1）

因此，僅通過增大導流洞出口右邊墻擴散角，對改善水流歸槽性效果有限，導流洞體型仍需修改。

2.2 修改方案二：導流洞底板高程及洞線優化調整

為了繼續改善出口水流歸槽性和消能效果，在滿足現場施工和出口地形條件下，修改方案二將1號、2號導流洞全洞降低2m，1號導流洞軸線向下游偏轉5°，2號導流洞軸線向下游偏轉6°，1號、2號導流洞出口左邊墻采用扭面型式，邊墻不擴散，右邊墻均擴散9°。1號導流洞出口右邊墻60m開始以半徑400m的圓弧與下游岸坡地形銜接［4］。修改方案二導流洞出口體型布置詳見圖5。

試驗結果表明，導流洞底板高程及洞線調整后，出口水流歸槽性及水流消能效果改善明顯，導流洞出流對下游河道沖刷大大減輕；設計流量時，修改方案二導流洞出洞流速約為18.9m/s，下游河道左岸岸邊最大流速約為6.1m/s，下游河道最大沖深點高程約為2066.20m，位于導流洞出口對岸附近，較修改方案一淺6.2m。

設計流量時，1號導流洞出口水流為急流，出口左邊墻外側水面高于內側，水流翻過左邊墻橫向匯入主流，在主流裹挾下泄途中碰撞到右側地形，水流流向向上游發生偏轉頂沖對岸，部分水流折向上游，在下游圍堰處形成較大回流，回流流速達2.9m/s，對下游圍堰穩定不利。設計流量下導流洞出口水流流態及河道沖淤形態見圖6。

2.3 修改方案三：出口底板高程調低2m

圖4 修改方案一設計流量時導流洞出口水流流態及河道沖淤形態（a）導流洞出口及下游河道；（b）2號導流洞出口水流流態；（c）下游河道沖淤形態Figure 4 Flow pattern and river erosion of scheme 1（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel 2；（c）River erosion condition

圖5 修改方案二導流洞出口體型布置圖（注：圖中樁號及尺寸均以m計）Figure 5 Layout of diversion tunnel outlet（scheme 2）

針對修改方案二下游圍堰處回流較大的問題，修改方案三將1號洞出口左邊墻末端高程加高4m，由2092m加高至2096m。同時，對1號洞出口右側地形適當擴挖，從右邊墻40m開始以半徑250m的圓弧與下游岸坡地形銜接；出口體型布置詳見圖7。

試驗結果表明，1號導流洞出口左邊墻加高、右側地形擴挖后，導流洞出口水流歸槽較好，左邊墻外側水流匯入主流引起流向偏轉，造成圍堰處回流較大的現象有所改善［5］，但左邊墻下游仍有部分水流橫向匯入下泄主流，導致主流流向不穩定，下游圍堰處間歇性出現較大回流現象；實測設計流量時，修改方案三導流洞下游圍堰附近最大回流流速約為2.3m/s，下游河道左岸岸邊最大流速約為5.6m/s，下游河道最大沖深點高程為2066.70m，位于導流洞出口對岸附近，與修改方案二相當。設計流量下導流洞出口水流流態及河道沖淤形態見圖8。

2.4 修改方案四：改變導流洞出口邊墻形式

為了增加導流洞下泄水流的穩定性，進一步減小下游圍堰處的回流流速，試驗對比了不同的導流洞出口左邊墻長度、高度及型式［6］。

修改方案四：在修改方案三基礎上，將1號、2號導流洞出口左邊墻由扭面式改為直立式。

試驗結果表明，修改方案四將導流洞出口左邊墻改為直墻后，導流洞出口水流歸槽性及下游圍堰處水流穩定性較修改方案三有所改善；設計流量時，修改方案四下游圍堰處最大回流流速約為2.1m/s，較修改方案三減小0.2m/s；下游河道左岸岸邊最大流速約為5.6m/s，下游河道最大沖深點高程約為2066.50m，與修改方案三相當。設計流量下導流洞出口水流流態及河道沖淤形態見圖9。

2.5 修改方案五：下游圍堰上移20m

由于1號導流洞出口距下游圍堰較近，下游圍堰處水流不穩定，考慮下游圍堰布置有一定上移空間，為降低出口水流對下游圍堰的沖刷，在修改方案四的基礎上將下游圍堰向上移20m。

圖6 修改方案二設計流量時導流洞出口水流流態及河道沖淤形態（a）導流洞出口及下游河道；（b）2號導流洞出口水流流態；（c）下游河道沖淤形態Figure 6 Flow pattern and river erosion of scheme 2（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel 2；（c）River erosion condition

圖7 修改方案三導流洞出口體型布置圖（注：圖中樁號及尺寸均以m計）Figure 7 Layout of diversion tunnel outlet（scheme 3）

圖8 修改方案三設計流量時導流洞出口水流流態及河道沖淤形態（a）導流洞出口及下游；（b）下游河道沖淤形態Figure 8 Flow pattern and river erosion of scheme 3（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）River erosion condition

試驗結果表明，設計流量時，下游圍堰處最大回流流速約為1.6m/s，對下游圍堰沖刷較小。設計流量下導流洞出口水流流態及河道沖淤形態見圖10，流速分布及沖淤地形見圖11。

設計流量下修改方案一～方案五下游河道水力特性比較見表1，修改方案五下游圍堰處最大回流流速最小，對下游圍堰沖刷小，下游河道沖坑深度小，可作為最終的推薦方案。

表1 設計流量下修改方案一～方案五下游河道 水力特性值比較Table 1 Hydraulic characteristics of scheme 1 ～ 5

3 結論

經模型試驗驗證，各級流量下，推薦方案導流洞出流歸槽性較好，水流對下游河道及左岸岸坡沖刷較原方案明顯減輕。5年一遇及其以下流量時，導流洞出流對下游河床及左岸岸坡沖刷較輕，沖坑最深點位于河床中心［7］。設計流量時，1號導流洞出口左邊墻及導流洞出口左岸流速較大，河床沖深較深，建議對該區域進行適當防護。

圖9 修改方案四設計流量時導流洞出口水流流態及河道沖淤形態（a）導流洞出口及下游河道；（b）2號導流洞出口水流流態；（c）下游河道沖淤形態Figure 9 Flow pattern and river erosion of scheme 4（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel 2；（c）River erosion condition

圖10 修改方案五設計流量時導流洞出口水流流態及河道沖淤形態（a）導流洞出口及下游河道；（b）下游河道沖淤形態Figure 10 Flow pattern and river erosion of scheme 5（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）River erosion condition

圖11 修改方案五設計流量時流速分布及沖淤地形圖（單位：m）Figure 11 Flow velocity and river erosion condition of scheme 5（at design flow）

以上研究成果對于本工程導流洞出口體型優化設計具有重要意義，對類似工程的設計有一定的參考意義。由于水力學模型試驗的局限性和復雜性［8］，對于不同地質情況及工程布置下的導流洞出口體型優化仍需進行針對性深入研究。