林海水库放空洞设计

黄 勇，黄玉晓，孙晓平

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080;2.南阳市水利建筑勘测设计院，南阳474350)

1 工程概况

拟建林海水库设计洪水位509.43 m，校核水位为510.40 m，正常蓄水位509.00 m，死水位为484.00 m，泥沙淤积高程为460.87 m，考虑泥沙淤积、导流及放空等要求，进水口放空孔口底高程确定为476.00 m，导流孔口底板高程为451.00 m。消能按永久工程放空洞工况设计，采用底流消能，放空时闸门全开，溢洪道堰顶高程493.00 m，放空洞与电站机组同时泄放。

设计的林海水库放空洞结构布置分为进口段、导流放空洞和出口段。

进口段包括进口引渠和闸室段，其中闸室段(0－018～0+000)长18 m，包括进口收缩段、封堵后的上半部分导流闸、导流闸至检修闸收缩段、检修闸、工作门和人孔。放空洞闸室段进口孔口尺寸为11.0 m×6.0 m(宽×高)，进口顶板为椭圆曲线(长轴和短轴分别为5.4 m和2.5 m)，检修闸和工作门孔口尺寸均为3.5 m×3.5 m(宽×高)。

导流放空洞洞线总长为327.60 m。放空洞桩号0+000～0+010段为由3.5 m×3.5 m方形渐变为直径3.5 m圆形的渐变段;从桩号0+010后为直径3.5 m的圆形断面，经竖向转弯段在桩号0+037.50处与导流洞衔接，衔接段(0+037.50～0+050.78)为直径3.5 m渐扩至7 m的圆形断面。平面上在桩号0+060～0+133.30段为半径R=84 m、转角50°的转弯段，其余为直线段。从桩号0+050.78～0+317.60段隧洞断面为直径7 m的圆形断面，出口从桩号0+317.6～0+327.60段为由直径7 m圆形渐变为5.8 m×5.8 m方形的渐变段，出口底板高程为450.00 m。

出口段包括消力池(0+327.60～0+362.60)和护砌段，消力池长35 m，扩散角为9.6°，消力池底高程为448.00 m，前8 m为底高程为450.00 m降至448 m的逆坡，尾坎顶高程为450.00 m。护砌段为平底，底高程为450.00 m。

2 放空洞优化设计

放空洞布置结构复杂，其布置型式是否合理直接影响泄流能力、水流流态及出口消能效果，有必要研究放空洞水力特性，并对其布置型式进行优化。原设计方案导流闸至放空洞检修闸洞段两侧边墙为折线型(图1)，顶面为16.17 m半径弧线，对水流条件不利，为此拟改为曲线型(图2、图3)，侧边墙曲线圆弧半径为1.75 m，顶面10.5 m半径(3倍进水孔高度)弧线，导流闸出口孔口高度为3.604 m。

图1 导流闸至放空洞检修洞段原设计方案

图2 导流闸至放空洞检修闸洞段修改方案平面图

图3 导流闸门至放空洞检修门段修改方案纵向剖面图

放空洞与导流洞衔接段结构推荐位由纵向45°倾斜角、直径为3.5 m缓弯渐扩到垂向、直径为7 m圆形，具体结构见图4。

图4 放空洞与导流洞衔接段推荐结构图

3 放空洞概化水工模型试验

通过放空洞水流三维数值模拟试算结果分析发现，放空洞水流条件非常复杂，为验证数值模拟结果的可靠性，开展了小比尺概化水工模型试验，主要观测研究放空洞与导流洞衔接段上游洞段(桩号0－018～0+037.50)和出口段水流流态，特别是衔接段上游洞段的明满流流态，以及出口段的水跃形态。

模型模拟范围及概化布置如下:放空洞与导流洞衔接段上游部分及紧接下游段(0－018～0+060)和导流洞渐变段下游部分(0+317.60以下至下游河道)完全模拟，将衔接段末端至导流洞渐变段首端之间(0+060～0+317.60，包括转弯段和直线段)的长257.60 m的导流洞段概化为70 m直线段，控制衔接段出口和导流洞出口底高程不变。河道地形高程采用约450 m概化模拟。

共进行了库水位510.09～477.72 m范围的9组不同水位工况的试验。

在库水位为510.09～477.72 m情况下，模型试验得出的放空洞泄流量为262～12 m3/s，各工况库水位的泄流量见表1，放空洞泄流能力关系曲线见图5。

表1 模型试验放空洞不同库水位泄流量

图5 模型试验放空洞泄流能力关系曲线

4 流态

各库水位情况下流态特征见表1。

表2 各库水位情况下流态特征表

模型试验观察到:在库水位在510.09～477.72 m时，放空洞衔接段上游洞段(桩号0－018～0+037.50)出现满流、明满流过渡和明流3种流态，衔接段进口断面桩号0+37.50以下洞段均为明流。从进水口至检修闸洞段流速沿程增大，检修闸出口至放空洞渐变段首断面洞段内流速沿程分布均匀，渐变段内流速沿程增加，进入竖弯圆弧段流速继续增加，洞底流速大于洞顶流速，衔接段内出现最大流速，库水位为493 m时断面平均流速达24.86 m/s。

5 结语

通过对林海水库防空洞结构布置进行分析，建立了放空洞水流三维 k～ε紊流数学模型，对库水位 510.09～477.72 m的水位条件进行了数值模拟计算;开展了比尺为1∶70的概化水工模型，对放空洞水流流态进行了研究，并对数学模型进行了验证。从而选定了放空洞优化布置方案，完成了优化设计。

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