長陡坡泄洪洞泄流能力影響因素的試驗研究

王 威

(遼寧興碩水利工程有限公司，遼寧 新民 110300)

1 研究背景

隨著我國水利工程技術的不斷發展，開始在地質條件復雜的地區進行水利工程建設。在山區建設的水利工程往往處在V型河谷地帶，大壩的壩高相對較高，綜合考慮項目所處的地形和地質條件，大多采取全段圍堰和長陡坡導流隧洞[1]。在工程建成之后，導流洞一般轉換為泄洪洞，與其他泄流建筑物共同配合，增強水利工程應對洪水襲擊的能力。但是，長陡坡隧洞內部的水力問題十分復雜，不僅容易產生對工程運行不利的水利條件，同時也給其泄流能力造成影響[2]。

清河是遼河左側的較大支流，流域面積5253km2，河長171km。清河水庫位于清河干流上，于1960年主體工程基本竣工，1966年全部竣工。水庫控制集水面積2376km2，壩址距下游長大鐵路橋和開原縣城約13km。2011年11月8日，遼寧省清河水庫除險加固工程正式開工建設，并完成大壩工程、溢洪道工程、泄洪洞工程的建設[3]。其中，右岸泄洪洞洞徑4.00m，總長752.00m，進口底高程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，屬于水力學長陡坡隧洞。基于此，此次研究以清河水庫右岸泄洪洞為例，利用水工模型試驗的方式，分析和探討模型試驗中長陡坡隧洞泄流能力的影響因素，以便為相關研究和工程設計提供有益的支持和借鑒。

2 水工模型與試驗方法

2.1 模型制作

在背景工程泄洪洞物理模型制作過程中，根據弗氏模型相似律以及水流運動的相似原理進行水工試驗模型的設計，模型采用整體正態模型[4]。根據模型比尺的相關研究理論，同時結合此次研究的實際需要和現場特點，在模型設計過程中按照SL 155—95《水工模型試驗規程》的相關要求和工程設計，按照重力相似準則進行模型設計[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；時間比尺為1∶5。

為了使試驗模型能夠盡可能真實反映背景工程的實際情況，在水工結構材料選擇過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格滿足相似性要求，但是差異不能過大，否則就會嚴重影響試驗結果的精度[5]。根據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，其余附屬結構使用水泥磚和水泥砂漿制作。綜合考慮制作成本和試驗結果的準確性，模型的模擬范圍為泄洪洞進口上游500m，泄洪洞下游出口1000m。

2.2 試驗條件與方法

水工模型試驗供水系統設施包括蓄水池、動力泵、尾水池、配水管和回水槽等。試驗過程中通過潛水泵將地下蓄水池中的水經過輸水管道輸送至高位蓄水池中，利用上游閘門的控制和調節，使量水堰的水位和水量達到試驗要求，然后開始試驗觀測，并記錄好相應的試驗數據。模型的下瀉水流經過下游的尾水池收集并最終進入地下蓄水池，實現循環利用[6]。

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

為了達到試驗精度，在試驗開始之前首先進行預放水試驗，以排除管道內的氣體對流量的影響。在試驗進行的過程中，需要逐級緩慢調節流量的大小，直至流量達到試驗的預設值并穩定，避免流量的快速波動對試驗結果的影響。

2.3 試驗方案

長陡坡隧洞在泄流能力方面存在較為突出的問題，清河水庫右岸泄洪洞在設計洪水位運行期間，其壩前水位并沒有達到設計水位，且存在比較明顯的差距，這說明泄洪洞存在一定的超泄現象。基于此，此次試驗通過驗證50、100、150、200、250、300、400、500m3/s等不同預估流量條件下上游水位和泄流能力之間的關系，探討地形、糙率、坡度和彎道等因素對泄洪洞泄流能力的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 地形

在試驗模型中針對下游河床的地形條件進行定床模型優化，并對優化前后的泄流能力進行試驗，根據試驗結果，繪制出如圖1所示的水位流量曲線。由圖可以看出，在下游河床地形優化之后，庫水位116～124m之間時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，地形優化對泄洪洞泄流能力的影響主要集中在水庫的中高水位。

圖1 地形修改前后庫水位與流量關系曲線

3.2 糙率

泄洪洞的糙率是泄流能力計算的關鍵性參數，由于長陡坡隧洞的洞身長度較大，因此糙率對沿程水頭損失的影響會更大，而水頭損失會直接影響泄洪洞泄洪過程中的流量系數，進而對泄流能力造成比較明顯的影響[7]。對水工隧洞的設計而言，如果選擇的糙率偏大，會導致泄流量的計算結果偏小，進而需要加大壩高，增加施工成本和工期。如果取值偏小，則會導致泄流量計算值偏大，從而造成工程隱患[8]。在水工模型試驗中，糙率的相似性與材料屬性和比尺存在明顯關聯。以此次試驗中使用的有利玻璃為例，在不同比尺下的糙率相對誤差見表1。由表中的結果可以看出，即使選擇1∶20的模型比尺，其糙率的誤差也偏大26%左右，而這必然后導致泄流量計算結果偏小。為了解決這一問題，在模型試驗中一般采用變態比尺和修正洞長的方式，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修正的方式，在試驗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引入曼寧公式，采用沿程阻力系數進行描述，以分析糙率的實際影響。其換算公式為：

(1)

式中，ΔH—糙率修正增量；Q—實測流量，m3/s；np—原型糙率；L—洞長，m；R—水力半徑，m；A—過流斷面面積，m2。

表1 有機玻璃糙率相對誤差

按照上述方法對背景工程糙率進行修正并試驗，獲得修正前、修正后以及工程實測的庫水位和流量之間的關系，其變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，修正后的試驗結果更接近工程實際，同時也說明糙率對泄洪洞的泄流能力存在十分顯著的影響。

圖2 糙率修正前后庫水位與流量關系曲線

3.3 坡度

在工程實際中，水工隧洞的底坡坡度主要和進口和出口底板的高程有關，同時需要考慮水工隧洞運行過程中的實際要求，因此坡度一般在0.35%以下。但是，在長陡坡隧洞工況下，坡度對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種不同的坡度進行試驗，根據試驗數據，獲得如圖3所示的庫水位和泄流量的變化曲線。由試驗結果可以看出，當泄流量較小的情況下，坡度對泄流量的影響不大，各個坡度下的泄流量變化曲線接近于一條曲線，當泄流量較大是，坡度對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。

圖3 不同坡度庫水位與流量關系曲線

3.4 彎道

在水利工程中隧洞帶彎道的情況比較常見，而彎道水流也主要表現為急流，并可能對隧洞的泄流能力造成影響。基于此，此次研究中對泄洪洞模型進行改裝，在直管道的基礎上增加彎度為54°的彎道并進行試驗，根據試驗結果，繪制出如圖4所示的有無彎道情況下的庫水位和泄流量之間的關系。由圖可以看出，有彎道的泄洪洞和無彎道的泄洪洞在泄流能力上存在微小的差異，但是總體變化規律相對一致。由此可見，彎道對泄洪洞泄流能力的影響相對較小。

圖4 有無彎道庫水位與流量關系曲線

4 結語

此次研究以遼寧省清河水庫右岸泄洪洞為例，利用水工模型試驗的方式探討了長陡坡泄洪洞泄流能力的影響因素。結果顯示，出口地形、糙率、坡度和彎道都會對長陡坡泄洪洞的泄流能力產生影響，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，影響最小的是有無彎道。研究結論有助于對長陡坡泄洪洞水力特征的進一步認識，對長陡坡水工隧洞的設計，特別是過流能力的計算具有一定的參考價值。當然，長陡坡水工隧洞的泄流能力的影響因素眾多，特別是泄流能力計算方面還沒有統一的計算公式，在后續研究中需要予以重點關注，促進水工隧洞過流理論的發展和完善。