梅山水库新洞主要水力学问题的试验研究

周正旭 郑开发 潘俊青 王久晟

（1梅山水电站 237300 2安徽省水利科学研究院 安徽省水利水资源重点试验室 蚌埠 233000）

1 概述

梅山水库新建泄洪隧洞（以下简称新洞）位于左岸山体，进口距左坝头约300m，出口位于厂房下游约70m，包括进、出口明渠隧洞长约456m，其中洞身长约389m。洞型为深式有压短进口的明流无压洞。进口底槛高程110m，设置12m×8m弧形工作闸门及12m×9.6m平板事故闸门各一扇。洞身段为圆拱直墙式断面，初拟洞身标准断面底宽9.0m、高11.5m，底坡为0.035，出口处高程为67.0m，采用底流消能。为优化新洞体型及各部位尺寸，测定洞底及侧墙沿线压力（动水压力、脉动压力）分布等，提出易发生空蚀的部位、范围及改进措施，特进行了新洞单体模型试验，模型比尺1∶30。

2 新洞细部尺寸设计

2.1 有压短洞

梅山水库新洞为有压短洞后接无压洞，属“龙抬头”式泄洪洞，根据我国大量工程建设实践经验和试验成果，设置压板的进口有压短管推荐的体型参数与设计参数比较见表1。

由表1可知，有压短洞设计体型与推荐体型基本一致。大量试验资料表明，采用Ⅱ型门槽，其初生空化数Kc=0.4～0.6；有压短洞压板段斜率为1∶4，H/h1=3～12时，新洞的流量系数可近似取常数0.862。

2.2 竖曲线

2.2.1 计算方法一

“龙抬头”式泄洪洞在进口之后，用射流的抛物线段，斜坡段及反弧段与较低的洞身相连接，抛物线段的底板应符合水流运动轨迹，以防闸门在启闭、运用中水流脱壁产生过大的负压和空蚀破坏。

为避免水流脱离底部产生气蚀，应使水流平顺，竖曲线一般选用抛物线。根据大量试验资料，推荐的竖曲线为：

式中：C——安全系数，1.3～1.5，此取1.4；

G——初始速度，此处取9.8m2/s；

V——斜坡段起始断面流速，m/s；

x、y——竖曲线的横坐标与纵坐标，m。

孔口最大流量规划值为1826m3/s，相应的平均流速v=19.02m/s，按式（1）计算后所得的底板竖曲线方程为x2=100y。

2.2.2 计算方法二

为适应不同开度并保持较大的正压，当起始流速为水平面时，根据自由射流轨迹方程，并给出一定的安全值，可得出抛物线底板方程为：

式中：H——底板X轴以上的作用水头，m；

M——系数，一般取1.2～1.45，此处取均值1.325；

X，Y——横、纵坐标。

校核洪水时库水位为139.93m，按式（2）计算后所得的底板竖曲线方程为X2=159Y。

设计选用的竖曲线高程为X2=200Y，曲率小于用以上公式计算出的推荐抛物线。

2.3 斜坡段、反弧段及下平洞段

斜坡段为抛物线段与反弧段间的连接部分，起稳定流态的作用。反弧段是水流转向的部分，由于体型变化和离心力的作用，流态复杂，压力变化大，脉动强烈，致使该部位及下游范围内易发生空蚀。斜坡段坡度越陡，反弧半径越小，压力变化就越剧烈。因而抛物线段不宜过大，斜坡段不宜过陡，反弧半径不宜过小，以使沿程压力变化较平缓，从而满足高速水流对体型的要求。体型设计是否合理可根据单体试验成果来判定。

本工程斜坡段坡度定位1∶2；斜坡段与下平洞段之间的反弧段反弧半径为50m，不小于5倍洞宽；考虑施工因素，下平洞段底坡选定为0。

3 泄流能力试验

校核洪水、设计洪水时新洞泄量实测值较理论计算值小28m3/s、16m3/s，分别较计算值少1.53%和0.93%，水工模型试验流量允许误差在3%之内，因而认为新洞泄流能力基本满足要求。

4 洞内流态及流速分布

4.1 洞内流态

校核洪水与设计洪水时新洞引渠主流略偏左侧，汛限水位时进流均匀平顺，各工况门井前1～5m范围均出现逆时针方向的吸气漏斗旋涡，已完全吸气，漏斗尾部已伸入有压洞内。最大漩涡直径约达2m，环向流速约为1.5m/s。有压洞内总体流态平顺，受吸气漏斗旋涡的影响，洞内偶尔有气泡出现，在出口处有气泡溢出。

无压洞0+005.700～0+035.631段洞宽由12m缩至9m，水流进入无压洞后，受边墙收缩的影响，产生了微弱冲击波，冲击波形成的水冠最高点出现在0+054断面，经反弧段洞整后，冲击波已基本消失。无压洞内水流基本对称均匀。

由于出口流速过大，原布置方案中1m深消力池内未形成水跃，消力池尾坎起到挑流鼻坎的作用，挑流水舌贴下游水面抛出，各工况最大挑距均在50～70m左右，水舌落点平面呈扇形。

4.2 洞内流速分布

以校核洪水为例描述洞内流速分布。此工况有压洞出口流速分布均匀，平均流速为18.7m/s，受边墙收缩段、竖曲线段及洞身边壁的影响，其后的各断面流速分布横向呈现两侧小、中间大，纵向呈现底部小、表面大；其中底部最大流速26.60m/s，出现在反弧段末端，较对应的表面流速小20%，有利于防止底板的空蚀破坏。由于0+106.400～0+387.000段下平洞洞内发生的是C2型壅水曲线，出口0+387.000处的平均流速25.81m/s，小于反弧段末0+106.400处的平均流速28.34m/s。无压洞沿程流速分布基本对称、平顺，流速分布较为理想。

5 洞高验算

有压洞出流受边墙收缩的影响产生了冲击波，冲击波最大影响断面为0+054，各工况下该断面水面横向中间高、两侧低，校核洪水时中心线水深达8.85m，两侧墙水深分别为7.10m、6.90m，横向变幅达1.95m，除该断面之外，其余断面横向变幅均未超过0.5m。0+106.400～0+387.000段下平洞洞内边墙最大水深为7.3m。

无压洞内的流速很大，一般都要考虑此时因水流掺气而增加的水深，以得出设计隧洞的高度。隧洞掺气水流不同于溢流坝和陡槽的掺气水流，其特点是隧洞的底坡较缓，水深较大，沿程壅高。

根据相关公式计算选取断面的掺气水深，校核洪水时各点掺气水深最大值均不大于0.72m。计入掺气水深后无压洞直段的最大水深为7.86m，对于高流速的城门洞型无压洞，要求洞内通过最大流量时，掺气水面线不超出直墙，掺气水面以上的净空一般为隧洞断面的15%～25%，无压洞直段的直墙高度降为8m较为经济。

6 防蚀验算

6.1 有压短洞

各主要工况时有压短洞内左、右侧墙对称点压力差值不大，说明有压洞内水流较为平顺。各工况左、右侧墙对称各点有压力差值多在0.75m水柱以内，对称性较好。

有压洞出口顶部各工况均未出现负压，校核洪水、设计洪水、汛限水位时该点的压力值分别为2.55m、2.10m、0.70m水柱，对应的空穴数分别为0.70、0.74、1.67。该点在有压洞内压力值最小，断面平均流速最大，因而为最易发生空蚀破坏的部位之一。

表1 设计参数与推荐体型参数的比较

除上述点外，新洞事故门槽也易发生空蚀，试验中在门槽内114.0m高程设置了压力测点，校核洪水、设计洪水、汛限水位时实测的最小压力值分别为10.90m、10.55m、3.08m水柱，对应的空穴数分别为1.61、1.74、2.84。

6.2 无压洞

各工况无压洞底板和侧墙均未出现负压。各工况底板最小压力值均出现在竖曲线中部，桩号为0+35.631。校核洪水、设计洪水、汛限水位时该点的压力值分别为2.80m、3.0m、4.60m水柱。各工况侧墙最小压力值均出现在下平洞段，桩号为0+199.943，校核洪水、设计洪水、汛限水位时该点的压力值分别为1.55m、1.20m、0.55m水柱。

无压洞内最大压力值均出现在反弧段底板，校核洪水、设计洪水、汛限水位时，该点的压力值分别为17.0m、16.0m、9.65m水柱，其后的下平洞段压力值变幅不大。选取校核洪水时的最小压力值及实测平均流速，计算无压洞低压区易空化部位的空穴数，最小值分别为0.56、0.30。

有压洞及无压洞内易出现空蚀的部位经验算发生空蚀破坏的可能性很小。

7 新洞门井水位与库水位的关系

根据实测资料拟合的门井水位计算公式为：

式中：H门井——门井水位，m；

H库——库水位，m。

8 新洞进口消涡试验

新洞进口各工况门井前1～5m范围均出现吸气漏斗旋涡，漏斗尾部已伸入有压洞内，需经过修改试验予以消除。

方案一：在事故门槽后增加10m平洞，将有压段加长；

方案四：为进一步改善入流条件，清除右侧山体；

方案五：在洞前增加截面0.25m×0.25m、净间距0.5m的消涡梁构成的消涡格栅；

方案六：在洞前增加截面0.5m×0.5m、净间距0.8m的消涡梁构成的消涡格栅。

经试验，方案一～方案四均未消除新洞进口前的吸气漏斗旋涡，方案五、六均能有效地防止吸气现象的发生。其中方案五消涡梁净间距不得大于0.5m，方案六消涡梁净间距不得大于0.8m；消涡格栅横向宽度不小于20m，顺水流向不小于5m。消涡格栅平面布置决定了消涡效果，梁截面高度可根据构造等要求确定。另外，建议采用随水位上下浮动的消涡格栅。

9 新洞出口段修改试验

由于新洞出口距发电厂房仅71.5m，距升压站仅25m，因而在选择消能防冲方案时既要减少出流对河床的冲刷、减小新洞运行时对厂房发电的影响，又要避免出口水流雾化影响升压站的正常工作。

方案一：原布置方案，在0+387.000～0+428.900段设深1m的消力池；

方案二：将方案一中0+428.900处的尾坎高程降至65.5m；

方案三：在0+387.000段后增设深10m的消力池，池长60m，尾坎4m；

方案四：在0+387.000段后增设深10m的消力池，池长60m，尾坎6m；

方案五：将方案一中0+387.000～0+428.900段的高程改为66.0m。

试验成果表明，正常运用工况方案一、二两个方案均不能形成水跃，尾槛起挑流鼻坎的作用。在出口采用底流消能，消力池深度10m、尾坎高6m、流量小于1000m3/s时方能形成稳定水跃，流量超过1000m3/s时，在尾坎末端形成挑流。方案五新洞出流受下游水流的顶托稍稍跃出水面，基本贴下游水面下泄。

10 结语

新洞进口的吸气漏斗旋涡可采用截面尺寸为0.5m×0.5m、净间距0.8m或截面尺寸为0.25m×0.25m、净间距0.5m的消涡梁构成的浮箱格栅予以消除，其中格栅长不小于20m，宽不小于5m，并需保证有足够的浮力和保证浮箱格栅随水位升降。

新洞有压洞内除偶有气泡溢出外，总体水流均匀平顺；无压洞内水流经边墙收缩段、竖曲线段、洞身边壁等共同作用，在0+030段以下流速分布均呈现横向两侧小、中间大，纵向底部小、表面大，有利于底板避免空蚀破坏。水流进入无压洞后，受边墙收缩的影响，在竖曲线段出现微弱的冲击波，冲击波引起0+054断面出现较大的水面变幅，但影响范围不大，经反弧段调整后，直洞内冲击波已基本消失。校核洪水时无压洞内计入掺气水深后总水深值0+054断面中心线处为 8.01m、0+106.400～0+387.000段直洞最大水深为7.86m，无压洞沿程边墙及拱顶高程满足要求，直墙高度可由原设计的8.6m减至8m。

各工况新洞有压洞内出口顶部的压力值均最小，空穴数分别为0.70、0.74；事故门槽校核洪水、设计洪水时的空穴数分别为1.61、1.74；无压洞内处的空穴数分别为0.56、0.66。以上部位发生空蚀破坏的可能性均较小。

新洞出口段采用底流消能工程量过大，可将原布置方案0+387.000～0+428.900加高至66.0m高程，此时新洞出流平抛至下游，受下游水流的顶托，基本贴水面流动，消能效果最佳，对电厂运行的影响最小