托克遜WSTG水庫導(dǎo)流洞水工模型試驗優(yōu)化設(shè)計研究

曹 凱

（吐魯番市清源水利水電勘測設(shè)計院有限公司,新疆 吐魯番 838000）

1 概述

托克遜WSTG 水庫任務(wù)主要以農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)供水為主,是一座具有綜合效益的樞紐工程。水庫總庫容1440/1130 萬m3,控制灌溉面積2.58 萬畝,承擔(dān)下游工業(yè)供水。導(dǎo)流洞位于大壩右岸,施工期兼作施工導(dǎo)流洞,運行期有沖沙、放空水庫之功能,由檢修閘、有壓隧洞段、工作閘井、無壓隧洞段和出口消能段組成,總長561.9 m,進(jìn)口底板高程850.00 m,有壓隧洞斷面形式采用3 m×3.5 m 城門洞型,縱坡i=8.26%,無壓隧洞斷面形式采用3 m×4.0 m 城門洞型縱坡i=3.76%[1]。

WSTG 河流懸移質(zhì)泥沙年內(nèi)分配極不均勻：5月～9月是降雨洪水多發(fā)季節(jié),河流含沙量大,10月～次年4月河水清澈。壩址的懸移質(zhì)年輸沙量為6.68 萬t,推移質(zhì)年輸沙量為1.67 萬t。導(dǎo)流洞在運行期存在高流速,高水頭等問題,為了驗證導(dǎo)流洞設(shè)計的合理性和安全性和對出口消能建筑物的優(yōu)化,進(jìn)行水工模型試驗。

2 水工模型試的驗?zāi)康?/h2>

WSTG 水庫正常蓄水位為905 m,校核洪水位為906.89 m。導(dǎo)流洞進(jìn)口高程為850.00 m,總長561.9 m,隧洞最大流速12.96 m3/s,為了驗證導(dǎo)流洞標(biāo)準(zhǔn)斷面的水力參數(shù)、消能工結(jié)構(gòu)尺寸及設(shè)計合理性,通過導(dǎo)流洞整體模型試驗,再進(jìn)一步優(yōu)化完善,確定最終的建筑物尺寸及水力參數(shù)、閘門整體調(diào)度方案等,為工程設(shè)計及運行管理提供試驗數(shù)據(jù)支持[2]。

3 水工模型設(shè)計與制作

3.1 水工模型設(shè)計

根據(jù)水流運動的相似原理和弗勞德模型相似律進(jìn)行模型設(shè)計,模型為正態(tài)模型,在湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院水工大廳試驗場地進(jìn)行模型制作,考慮到試驗要求及試驗場地的情況,選定模型試驗幾何比尺1∶50,即L=50。其它比尺見表1。

表1 模型比尺匯總表

3.2 水工模型制作

模型原始河道根據(jù)WSTG 水庫工程壩址區(qū)地形圖,河道地形采用樁點法,用河砂成型,水泥砂漿抹面,斷面間距50 cm；為方便觀測水流流態(tài),導(dǎo)流洞采用有機玻璃制作,消力池底板用木板精制,邊墻采用水泥砂漿砌成。模型中地形用水泥砂漿抹面,其糙率nm=0.013～0.015,則原型糙率為nP=0.025～0.029,較原型河床的糙率（0.031～0.040）略小,但由于下游尾水位較大,糙率對泄洪消能影響較小。導(dǎo)流洞建筑物采用有機玻璃制作,其糙率nm=0.007～0.010,則原型糙率nP=0.013～0.019,比混凝土糙率略大,但由于泄洪洞為紊流,且流速水深較大,糙率對其影響較小。

3.3 水工模型測點布置及量測方法

3.3.1 測點布置

導(dǎo)流洞水工模型共布置14 個監(jiān)測點,分別在導(dǎo)流洞工作閘井閘室末端布置1 處,在閘室與導(dǎo)流洞連接漸變段末端布置1 處,在導(dǎo)流洞隧洞段布置5 處,在隧洞段末端布置1 處,在消力池斜坡段末端、消力池中間和池尾分別布置1處,在下游護(hù)坦中間及末端分別布置1 處,在下游河道布置1 處。

3.3.2 試驗量測方法

水位量測：采用水位測點控制,水位測點用于測量上游水庫水位和控制下游河道水位,上游水位安設(shè)了1 個測針,設(shè)于溢洪洞進(jìn)口上游河道中央位置,下游河道控制斷面水位測針共布置2 處,分別埋設(shè)于大壩下游消力池出口50 m 河道中央位置及消力池出口150 m 河道中央位置。水位采用測針測量,測針最小刻度讀數(shù)為0.1 mm。

流量量測：模型試驗中采用矩形薄壁堰進(jìn)行流量量測。按《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》（SL 155-2012）建議,矩形薄壁堰的流量計算按雷伯克（T.Rehbock）經(jīng)驗公式：

量水堰堰高0.521 m、寬0.905 m,嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)量水堰的設(shè)計要求進(jìn)行制作,并進(jìn)行流量校核驗證。在測量中量水堰水位測量精度為0.1 mm。堰上水頭、水位用精度為0.1 mm的測針量測。

流速水深：流速測量采用旋槳流速儀；水深測量選用鋼尺（最小讀數(shù)精度為1 mm）。水流觀測利用拋投泡沫塑料顆粒、木屑等易漂物,觀察其運行軌跡。

3.4 水工模型試驗任務(wù)

試驗任務(wù)主要為導(dǎo)流洞整體模型試驗：

（1）對導(dǎo)流洞閘門部分開啟或全開時的泄流能力進(jìn)行驗證,并對設(shè)計方案的進(jìn)出口體型進(jìn)行試驗研究,測定各種工況時進(jìn)出口水流流態(tài)情況。

（2）進(jìn)行部分閘門開啟及閘門局部開啟的沖刷和過流試驗,優(yōu)化閘門調(diào)度方式。觀測閘門調(diào)度運行的最佳組合,減少水流對下游岸坡、河床及隧洞、消力池底板及邊坡等過流部位的沖刷,提出合理的閘門調(diào)度方案。

（3）驗證導(dǎo)流洞消能工布置方案是否合理、可行,找出設(shè)計消能方案下控制消力池尺寸的泄流方式、泄量、試測流態(tài)情況、水躍形式,測定各種工況時的水面線和壩上、下游流速分布及壩上下游河床沖淤情況,保證下游岸坡沖刷穩(wěn)定,提出合適的優(yōu)化方案。

4 水工模型試分析

4.1 導(dǎo)流洞泄流能力試驗

4.1.1 敞泄泄流能力

在上游水位為死水位（876.00 m）至正常蓄水位（905.00 m）范圍內(nèi),進(jìn)行導(dǎo)流洞敞泄泄流能力試驗,其泄流能力在水位905 m 至876 m 減小時,導(dǎo)流洞敞泄泄流流量由206.36 m3/s逐漸減少至166.71 m3/s,由此可知,當(dāng)上游水庫水位在876.00 m～905.00 m 變化時,泄流能力變化范圍較小,但在實際運行中,導(dǎo)流洞不參與泄洪,試驗數(shù)據(jù)僅作為設(shè)計參考。同時試驗觀測到在導(dǎo)流洞敞泄時,水流超過直墻段,易造成明滿交替的不良流態(tài),對洞室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不利,故在實際運行中,建議局部開啟。

4.1.2 不同閘門開度泄流能力

在上游水位為正常蓄水位905.00 m 時,進(jìn)行導(dǎo)流放空洞閘門不同開度的泄流能力試驗。閘門分別開啟0.50 m、1.00 m、1.50 m、2.00 m、2.50 m 和全開,當(dāng)閘門開度在0.50 m 至全開變化時,導(dǎo)流洞泄流由60.45 m3/s 增加至206.36 m3/s,導(dǎo)流洞不同閘門開度泄流曲線見圖1。

圖1 導(dǎo)流洞不同閘門開度泄流曲線

根據(jù)試驗成果得到導(dǎo)流洞閘門調(diào)度結(jié)論：①導(dǎo)流洞在水庫蓄水前,定期進(jìn)行排砂拉砂,導(dǎo)流洞全部開啟時,無壓洞內(nèi)水深會超過直墻段,可能會產(chǎn)生明滿交替的不良流態(tài),不建議全部開啟導(dǎo)流放空兼沖砂洞,建議局部開啟。②當(dāng)遇非常洪水,溢洪洞不足以下泄來流時,考慮開啟導(dǎo)流洞進(jìn)行泄流,以保障大壩安全。

4.2 施工導(dǎo)流水力特性

為探究施工導(dǎo)流期導(dǎo)流隧洞及下游消力池的流場分布情況,試驗選取初期導(dǎo)流和臨時度汛兩個典型工況進(jìn)行試驗研究,導(dǎo)流時段均為全年導(dǎo)流,初期導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)采用P=10%,臨時度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)采用P=5%,WSTG 水庫施工導(dǎo)流水力特性見表2。

表2 WSTG 水庫施工導(dǎo)流水力特性

根據(jù)試驗測得當(dāng)導(dǎo)流洞下泄兩個典型工況的流量時,導(dǎo)流洞工作閘門均為局部開啟。初期導(dǎo)流時,導(dǎo)流洞的閘門開度為2.50 m,臨時度汛時導(dǎo)流洞閘門開度為2.25 m。

4.3 流速流態(tài)

導(dǎo)流洞隧洞內(nèi)在各測點在兩種工況下,分別對水流的表面及底層進(jìn)行量測,在消力池及河道不僅在表面和底層進(jìn)行量測,還要在水流的左側(cè)、中間及右側(cè)分開量測,匯集成導(dǎo)流洞流速試驗數(shù)據(jù)。

（1）導(dǎo)流洞流速流態(tài)

根據(jù)試驗結(jié)果表明：在兩個工況下,由試驗數(shù)據(jù)可以判斷出,在初期導(dǎo)流（P=10%）工況下,導(dǎo)流隧洞內(nèi)流速表現(xiàn)為表面大底部小的分布規(guī)律,表層流速范圍在10.96 m/s 至12.49 m/s,底層流速范圍在8.78 m/s～11.94 m/s。在壩體臨時度汛（P=5%）工況下,導(dǎo)流隧洞內(nèi)流速分布與初期導(dǎo)流類似,表層流速范圍在12.61 m/s～17.52 m/s,底層流速范圍在10.48 m/s～19.49 m/s。通過對比兩種不同工況下洞內(nèi)流速,在壩體臨時度汛（P=5%）工況下,導(dǎo)流洞下泄最大流速位于漸變段出口斷面的底部,流速為19.49m/s。

（2）消力池流速流態(tài)

根據(jù)試驗結(jié)果表明：在兩個工況下,由試驗數(shù)據(jù)可以判斷出,在初期導(dǎo)流（P=10%）工況下,消力池內(nèi)流速分布為中間大而兩側(cè)小,最大流速為14.44 m/s,位于斜坡擴散段的末端。在消力池尾,由于發(fā)生水躍,故表面流速較底部流速小。在護(hù)坦中部,左側(cè)發(fā)生回流,回流流速約2.57 m/s,右側(cè)流速較大。而在護(hù)坦末端,主流靠近偏流墩,故左側(cè)流速較右側(cè)大。在下游河床,主流與河道中心線的夾角約45°,故左側(cè)流速較大。在壩體臨時度汛（P=5%）工況下,消力池內(nèi)流速分布與初期導(dǎo)流工況類似,最大流速為13.91 m/s。

4.4 水深

導(dǎo)流洞在各測點在兩種工況下,對軸線水深進(jìn)行量測,匯集成導(dǎo)流洞軸線水深試驗數(shù)據(jù)[3]。

根據(jù)試驗可知,在初期導(dǎo)流P=10%頻率時,導(dǎo)流洞隧洞內(nèi)水深基本穩(wěn)定,起伏波動較小,最大為2.60 m,水位均在隧洞直墻段以下。消力池內(nèi)斜坡擴散段水深最低,為0.85 m。由于下游水位較高,下泄水流流速較大,在護(hù)坦段形成回流,表面回流覆蓋出池水流,產(chǎn)生水躍現(xiàn)象,故此處水深較大,為2.95 m。在臨時度汛P=5%頻率時,最大水深在隧洞的末端,為2.80 m,隧洞內(nèi)水位均在直墻段以下,消力池內(nèi)水深分布與初期導(dǎo)流時基本相同。

綜合流速流態(tài)及水面線的分布來看,施工導(dǎo)流兩個典型工況下,水躍均位于消力池尾部,導(dǎo)流洞消力池的消能效果有限。

4.5 實驗結(jié)果

通過試驗研究了施工導(dǎo)流期間兩個典型工況下,導(dǎo)流洞內(nèi)的流速流態(tài)情況,兩個典型工況下導(dǎo)流洞閘門均為局部開啟,閘門開度分別為2.50 m、2.25 m；兩個工況的水躍均位于消力池尾部,消力池的消能效果有限。導(dǎo)流洞下泄水流在護(hù)坦的左側(cè)產(chǎn)生回流,且回流覆蓋出池水流,使得此處水深較大。導(dǎo)流洞閘門全開時水深會超過直墻段,故不建議全開。當(dāng)兼顧沖砂要求,按照死水位泄流能力計算得到的導(dǎo)流洞全開時無壓段水深約為3.8 m,考慮超高,建議隧洞無壓段城門洞直墻段的高度設(shè)為4.0 m,并保留有25%的洞頂余幅[4]。

5 結(jié)論

在導(dǎo)流洞設(shè)計時,經(jīng)常采用的是數(shù)學(xué)分析的方法和應(yīng)用經(jīng)驗公式,但這兩種方法都有一定的局限性,由于導(dǎo)流洞所在的條件各不相同,具有復(fù)雜性和多樣性,通過對導(dǎo)流洞原設(shè)計方案進(jìn)行水工模型實驗,根據(jù)實驗結(jié)果對原設(shè)計方案進(jìn)行論證和優(yōu)化,優(yōu)化調(diào)整后導(dǎo)流洞的導(dǎo)流洞設(shè)計參數(shù)均符合規(guī)范要求,對導(dǎo)流洞的設(shè)計及運行管理提供了試驗數(shù)據(jù)支持。