导流洞出口段体型优化模型验证研究

导流洞出口段体型优化模型验证研究

马斌1，李丽2，张宗孝3

(1.西京学院 工程技术系，西安710048； 2.宣城市水务局 工程管理处，安徽 宣城242000；

3.西安理工大学 水利水电学院，西安710048)

摘要：通过水工模型试验，测定导流洞出口在扩散情况和消力池方案时在不同工况下对下游河床冲淤的情况(冲刷范围及冲坑深度)，及对河道两岸岸坡的影响；根据试验分析结果，提出了出口扩散段体型优化建议，并把优化过的模型再进行试验比选出最优的。通过模型试验并结合工程实际情况选择最优方案，对原设计方案有重要的指导和验证意义。为优化导流洞出口方案，对导流洞原出口方案进行了5种工况的水工模型试验，得出冲刷结果，并进行分析。提出改进方案1，对方案1进行同样的试验，得出冲刷结果进行分析。发现左岸冲刷严重，则在方案1的基础上改进提出方案2，再对方案2进行同样试验，得出冲刷结果。对3个方案进行比选发现方案2是最佳设计方案。

关键词：模型试验；下游河床冲刷；出口扩散段；导流洞；试验方案比选；最深冲点

中图分类号：TV131.61文献标志码：A

1工程概况

三河口水利枢纽主要由大坝、坝身泄洪放空系统、坝后泵站、电站和连接洞等组成。水库总库容为7.1亿m3，调节库容6.6亿m3，死库容0.23亿m3。枢纽大坝初选为碾压混凝土拱坝，最大坝高145 m，按1级建筑物设计，引水、泄水建筑物为2级建筑物，次要建筑按3级设计，临时建筑物为4级建筑物；枢纽大坝设计洪水标准为500 a一遇，校核洪水标准为2 000 a一遇，泵站、电站及连接洞按50 a一遇洪水标准设计，200 a一遇洪水标准校核；大坝下游消能防冲建筑物按50 a一遇洪水设计，消能防冲建筑物洪水按200 a一遇洪水进行校核[1]。

三河口水利枢纽工程导流洞布置于右岸，导流洞进口位于坝轴线上游240 m，出口位于坝轴线下游约400 m处，全长774.444 m。进口与河床主流夹角38.5°，出口与河床主流夹角28°。导流洞主要由进口段、洞身段和出口涵洞段、出口扩散段4部分组成[2]。

2模型试验设计

根据模型试验任务要求，模型按重力相似准则设计，选用几何比尺为1∶50，上游为定床，下游河床做成局部动床模型，相应的其它物理量比尺见表1[3]。

表1　模型试验各物理量比尺表 [4] Table 1 Scales of physical quantities of the model test [4]

图1　模型布置 Fig.1　Layout of the model

3原方案导流洞下游冲刷试验

3.1　原方案导流洞下游冲刷试验成果

试验分别进行了导流期(枯水期)10 a一遇洪水、导流期(全年)10 a一遇洪水、度汛期(全年)20 a一遇洪水、度汛期(全年)50 a一遇洪水、度汛期(全年)100 a一遇洪水5个工况情况下游河道冲刷试验，各种频率洪水下在模型上连续冲刷2 h(相当于原型14.1 h)，再停水量测冲刷坑地形。模型试验冲坑形状详见图2[7]，图中数值表示高程(m),下同。表2是下游冲深特征值统计表。

表2　原方案下游冲深特征值统计 Table 2　Statistics of eigenvalues of downstream scouring depth in the original scheme

图2　原方案导流期(全年)10 a一遇洪水下游 冲刷地形(Q=1 391 m 3/s) Fig.2　Morphology of downstream scouring in the presence of flood (once in a decade) in diversion period (whole year) for the original scheme (Q=1 391 m 3/s)

3.2　原方案结论与建议

施放各种工况的洪水，从冲刷结果可知，随着泄流量的增大，护坦末端的冲深和左岸岸坡的冲深增大，本工程导流的标准按全年10 a一遇洪水标准导流，该工况下护坦末端的最大冲深点高程为511.4 m，低于护坦521.399 m高程9.99 m深；左岸最深冲点高程为518.3 m，低于地面524.0 m高程5.7 m深，冲深范围约131 m；右岸最深冲点高程为508.90 m，低于地面524.0 m高程15.10 m深，冲深范围约163 m。冲刷相当严重，设计应演算左岸最深部位边坡的稳定性，护坦齿墙深入底部的高程按511.0 m考虑。

4修改方案的试验成果

4.1　修改方案1的试验成果

4.1.1修改方案1的形成

根据原方案导流泄洪洞的试验结果，原方案挑坎下面齿墙冲刷十分严重，下游河道冲刷和右岸的冲刷也很严重，设计单位将导流洞出口挑坎做了相应的修改，具体为在护坦出口增加了反弧挑坎，同时将出口挑坎的左边墙扩散角由原来的5°变为10°，目的是让水舌朝河床方向扩散，减小右岸的冲刷，右岸的边墙扩散角度仍为5°。

4.1.2导流洞下游冲刷试验成果

试验分别进行和原方案相同的5个工况情况下游河道冲刷试验，冲刷料的铺设同原方案。模型试验冲坑形状详见图3。表3是下游冲深特征值统计表。

图3　修改方案1导流期(全年)10 a一遇洪水下游 冲刷地形(Q=1 391 m 3/s) Fig.3　Morphology of downstream scouring in the presence of flood (once in a decade) in diversion period (whole year) for modified scheme 1 (Q=1 391 m 3/s)

表3　修改方案1下游冲深特征值统计 Table 3　Statistics of eigenvalues of downstream scouring depth in modified scheme 1

表4　修改方案2下游冲深特征值统计 Table 4　Statistics of eigenvalues of downstream scouring depth in modified scheme 2

4.2　修改方案2试验成果

4.2.1修改方案2的形成

根据导流洞出口挑坎修改方案1的试验结果，较大流量时，左岸冲刷较原方案有加深现象，设计单位将导流洞出口挑坎又做了相应的修改，具体为在修改方案1挑坎反弧挑坎的基础上，将左岸的边墙向外扩散由原来的10°变为现在的8°，右岸的边墙向外扩散由原来的5°变为现在的7°。

4.2.2导流洞下游冲刷试验成果

试验分别进行了和修改方案1相同的5个工况情况下游河道冲刷试验，冲刷料的铺设同原方案。模型试验冲坑形状详见图4。下游冲深特征值统计见表4。

图4　修改方案2导流期(全年)10 a一遇洪水下游 冲刷地形(Q=1 391 m 3/s) Fig.4　Morphology of downstream scouring in the presence of flood (once in a decade) in diversion period (whole year) for modified scheme 2(Q=1 391 m 3/s)

4.3　修改方案1与原方案比较的结论与建议

(1) 为了减轻原方案挑坎下面齿墙根部、下游河道和右岸的冲刷，修改方案1设计在护坦的末端增设了反弧挑坎，同时将出口挑坎的左边墙扩散角由原来的5°变为10°，目的是将修改后的挑流鼻坎将主流导在下游水位的表面之上，有面流消能的特点，同时将水流朝河床方向扩散，减小齿墙、下游河道和右岸的冲刷。试验表明该修改方案流态发生了变化，出口水流由原方案的潜流消能变为面流消能的特点，挑坎下面的冲刷大为减轻，但该方案有主流冲刷下游左岸现象。

(2) 本工程导流的标准按全年10 a一遇洪水标准导流，修改方案1在该工况下，挑坎末端的最大冲深点高程为516.7 m，低于地面524.0 m高程7.3 m深;左岸最深冲点高程为519.0 m，低于地面524.0 m高程5.0 m深，冲深范围约165 m;右岸最深冲点高程为515.8 m，低于地面524.0 m高程8.2 m深，冲深范围约150 m。设计应演算左岸最深部位边坡的稳定性，挑坎齿墙深入底部的高程按516.0 m考虑。

该冲刷结果较原方案挑坎末端变浅，原设计方案最低冲深点高程为511.4 m，而修改方案1最低冲深点高程为516.7 m，最低冲深点高程变浅5.3 m；原设计方案河道最深冲点高程为506.75 m，而修改方案1最低冲深点高程为513.25 m，最低冲深点高程变浅6.5 m；原设计方案河道左岸最低冲深点高程为518.3 m，而修改方案1最低冲深点高程为517.8 m，该工况最低冲深点高程变深0.5 m，而在工况3和工况4及工况5时左岸冲刷均有所加深，说明修改方案1挑坎尚需进一步优化。

4.4　修改方案2与修改方案1比较的结论与建议

(1) 根据导流洞出口挑坎修改方案1的试验结果，挑坎齿墙根部、下游河道和右岸冲刷均有明显减轻，但较大流量时，左岸冲刷较原方案有加深现象。因此设计单位将导流洞出口挑坎上的两侧边墙向右均偏转了2°，让主流向河床中间稍有偏转，形成了修改方案2，即左岸的边墙向外扩散由原来的10°变为现在的8°，右岸的边墙向外扩散由原来的5°变为现在的7°。

修改方案2较修改方案1使得大流量时主流向河道中心偏转，左岸的冲刷较修改方案1稍有减小，说明修改起到了效果。其它部位的冲刷与修改方案1相当。

(2) 修改方案2全年10 a一遇洪水工况下挑坎末端的最大冲深点高程为517.05 m，低于地面524.0 m高程6.95 m深;左岸最深冲点高程为518.2 m，低于地面524.0 m高程5.8 m深，冲深范围约155 m;右岸最深冲点高程为514.8 m，低于地面524.0 m高程9.2 m深，冲深范围约170 m。设计应演算左岸最深部位边坡的稳定性，挑坎齿墙深入底部的高程按516.0 m考虑。

该冲刷结果较修改方案1挑坎末端变浅，全年10 a一遇洪水时，修改方案1最低冲深点高程为516.7 m，而修改方案2最低冲深点高程为517.05 m，最低冲深点高程变浅0.35 m；修改方案1河道最深冲点高程为513.25 m，而修改方案2最低冲深点高程为513.7 m，最低冲深点高程变浅0.45 m；修改方案1河道左岸最低冲深点高程为517.8 m，而修改方案2最低冲深点高程为518.2 m，该工况最低冲深点高程变浅0.4 m。

5结语

该试验操作严谨，数据真实可靠，已经达到了本试验任务的要求。将2个修改方案比较，总体来说修改方案2的下游冲刷较修改方案1轻，修改方案2更能满足工程的实际要求，故试验推荐修改方案2作为本工程导流洞出口的推荐方案。

参考文献：

[1]陕西省水利电力勘测设计研究院.陕西省引汉济渭工程三河口水利枢纽导流洞水工模型试验委托任务书(初步设计阶段全年围堰方案)[R]. 西安： 陕西省水利电力勘测设计研究院,2012. (Shaanxi Provincial Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design. Assignment of the Hydraulic Model Test of Sanhekou Hydropower Project’s Diversion Outlet in Shaanxi Province(Initial Design Phase)[R]. Xi’an: Shaanxi Provincial Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design, 2012. (in Chinese))

[2]陕西省水利电力勘测设计研究院.陕西省引汉济渭工程三河口水利枢纽预可研设计报告[R].西安：陕西省水利电力勘测设计研究院, 2010. (Shaanxi Provincial Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design. Report of the Feasibility of Sanhekou Hydropower Project for the Water Diversion from Hanjiang River to Weihe River[R]. Xi’an: Shaanxi Provincial Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design, 2010. (in Chinese))

[3]左东启.模型试验的理论和方法[M].北京：水利电力出版社，1984. (ZUO Dong-qi. Theory and Methods of Model Test[M]. Beijing: Water Resources and Electric Power Press, 1984. (in Chinese))

[4]南京水利科学研究所.水工模型试验[M].北京：水利电力出版社,1985. (Nanjing Hydraulic Research Institute. Hydraulic Model Test[M]. Beijing: Water Resources and Electric Power Press, 1985. (in Chinese))

[5]谢鉴衡.河流模拟[M].北京：中国水利水电出版社，1993. (XIE Jian-heng. River Modelling[M]. Beijing: China Water Power Press, 1993. (in Chinese))

[6]谢鉴衡.河床演变及整治[M].北京：中国水利水电出版社，1997. (XIE Jian-heng. Riverbed Evolution and Regulation [M]. Beijing: China Water Power Press, 1997. (in Chinese))

[7]SL155—95,水工常规模型试验规程[S].北京：中国水利水电出版社,1995. (SL155—95, Specifications of Regular Hydraulic Model Test[S]. Beijing: China Water Power Press, 1995. (in Chinese))

(编辑：刘运飞)

Model Test to Select Optimal Shape of Diversion Tunnel Outlet

MA Bin1, LI Li2, ZHANG Zong-xiao3

(1.Engineering Technology Department, University of Xijing, Xi’an710048, China；

2. Engineering Management Department, Water Affairs Bureau of Xuancheng City, Xuancheng

242000, China; 3.Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering,

Xi’an Univeristy of Technology,Xi’an710048, China)

Abstract:To select an optimum shape of the diversion tunnel outlet for Sanhekou hydropower project, hydraulic model test was conducted to research the influence of outlet shape on the downstream riverbed scouring (range and depth) and bank slope. The test was designed in the presence of diffusion and stilling basin respectively under five working conditions. According to the test results and engineering practice, suggestions to optimize the outlet shape were put forward and further tested. Finally the optimum scheme was determined.

Key words: model test; downstream riverbed scour; expansion segment of outlet; diversion tunnel; scheme comparison and selection; deepest impact point