泄洪隧洞水力特性试验研究

范晏岗

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐　830000)



泄洪隧洞水力特性试验研究

范晏岗

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐830000)

摘要：高水头大流量水电站泄洪消能问题一直是水利水电工程界关心的热点和难点问题，泄洪隧洞是主要泄水建筑物之一。文章通过水工模型试验方法，以某实际工程为例，开展泄洪隧洞水力特性试验研究，研究水面线和流速等沿程变化情况、试验值和计算值，并进行相互对比验证，研究成果为工程设计提供了重要参考依据。

关键词：泄洪隧洞；水力特性；试验；水面线；流速

0引言

随着我国经济实力的快速发展，一大批水利水电工程已建或在建，并且在建与待建的一批大型水电站都属于高坝范畴[1-2]。由于高坝建设普遍存在水头高、流量大的技术特点，明流泄洪隧洞的水力学问题是高坝建设需要解决的一个重要问题[3-4]。文献[5-7]分别采用三维数值模拟方法研究泄洪洞内水流特性；文献[8]对竖井式泄洪洞开展了理论研究，根据多座泄洪洞试验数据导出旋涡竖井的相关水力学计算公式；文献[9-11]分别对竖井旋流泄洪洞开展了三维数值模拟研究，对泄洪洞泄流能力等进行了分析研究。

某大型水电站由于泄洪隧洞内流速较高、紊动剧烈及水面波动大，对泄洪隧洞的安全运行存在威胁。因此，本文通过开展模型试验研究，分析泄洪洞内水面线及流速分布等水力特性，为泄洪隧洞的安全运行提供参考依据。

1试验方法及模型制作

本文建立的水工模型采用重力相似准则设计[11]，比例为1∶50，采用正态模型，模型范围取库区150 m，下游至出水渠130 m，模型糙率为0.007 8。模型中，上游库区采用砖砌结构，并涂抹水泥砂浆防止渗水。泄洪隧洞进口段与水库边墙齐平，有压短管控制段、泄流隧洞段、明流泄槽段、消力池段及出口消能段底板，均采用10 mm厚PVC塑料板制作。为了便于流态观察及水力参数测量，泄流隧洞段、明流泄槽段及出口消能段侧墙均采用有机玻璃。根据测试需要，本研究从泄洪洞有压短管出口至明流泄槽末端共布置24个监测断面，其中隧洞段布置17个断面，明流泄槽段布置7个断面，具体布置方式如图1所示。

图1　泄洪隧洞检测断面布置示意图

模型全部制作安装就位后，对各部尺寸、高程等进行测量检查。正式试验前对模型进行全面试水试验，检验整个循环系统，对模型中的漏水、渗水部位进行修整，为正式试验做好准备。

2试验结果及分析

本文主要测试水利枢纽工程3个典型水位下的水力性能，其中包括校核洪水位993.35 m，设计洪水位992.66 m,正常蓄水位990 m。

2.1有压短管的泄流能力研究

泄流试验目的是检验在压板控制下，有压短管过流能力。试验率定了弧形闸门全开时，不同库水位情况下，各种库水位-流量关系以及相应流量系数，试验结果见表1所列。

表1　有压短管库水位-流量关系

试验结果表明,有压短管在库水位993.35 m时，实际过流能力为526.92 m3/s，实测泄流能力略大于设计计算泄流能力519.00 m3/s，误差为1.5%，泄流能力满足要求；在库水位992.66 m时，实际过流能力为520.28 m3/s，实测泄流能力略大于设计计算泄流能力509.00 m3/s，误差为2.2%，泄流能力满足要求；在库水位990.00 m时，实测过流能力为513.68 m3/s，实测泄流能力大于设计计算泄流能力499.00 m3/s，误差为2.9%；在库水位984.00 m时，实测过流能力为493.61 m3/s，实测泄流能力大于设计计算泄流能力476.00 m3/s，误差为3.6%；充分表明在相应库水位下，实测流量均大于设计计算流量，但误差均小于5%，符合实际工程要求，说明该有压短管在各种水位标准下，泄流能力均能满足要求。

2.2水面线与流速试验研究

通过试验观测3种典型水位下沿程水深及断面平均流速情况，结果见表2所列。表2中，典型水位1库水位为993.35 m，流量为526.92 m3/s；典型水位2库水位为992.66 m，流量为520.28 m3/s；典型水位3库水位为990.00 m，流量为513.68 m3/s。

由表2可知，在库水位993.35 m下，泄流隧洞中最大水深为3.95 m，小于相应隧洞段高度7.0 m，隧洞高度满足要求；明流泄槽段最大水深为3.70 m，小于相应泄槽段侧墙的高度7.5 m，泄槽边墙高度满足要求。所以本工程泄流隧洞段高度及明流泄槽段侧墙高度足以满足最大水位下最大水深要求，整个泄流隧洞及明流泄槽泄水能力满足要求。

表2　典型水位下沿程水深

图2所示给出了库水位为992.66 m、流量为520.28 m3/s工况下有压短管出口和反弧段末端出口断面流速分布情况，可以看出，泄洪洞断面平均流速沿程增加，从有压短管出口至反弧段末端，断面最大流速由36.5 m/s增大至41.8 m/s，水深逐渐变浅，断面流速梯度明显增大。

图2断面流速分布

2.3断面流速试验与理论值对比

本研究分别选取2种典型水位下，有压短管出口(0+027.00 m)和反弧段末端(0+196.63 m)典型断面进行流速对比验证。验证过程中，将实测流速与流量计算流速对比，对比情况见表3所列。

由表3可以看出，实测断面平均流速与反算平均流速吻合较好，反弧段末端处误差大于有压管出口，

这是由于反弧段末端流速较高，水位波动较大，准确测试水深和流速分布难度较大，从而引起相对较大误差，但断面测试误差均小于5%。

由此说明，本研究的测试数据可靠，能够有效指导工程设计。

表3　断面平均流速对比

3结论

(1) 在各种水位标准下，有压短管泄流能力满足要求。

(2) 各种典型水位下，泄流隧洞和明流泄槽边墙高度满足设计要求。

(3) 泄洪隧洞沿程断面流速逐渐增加，反弧段末端流速最大值达到41.8 m/s。

〔参考文献〕

[1]戴会超,许唯临.高水头大流量泄洪建筑物的泄洪安全研究[J].水力发电,2009,35(1):14-17.

[2]孙双科.我国高坝泄洪消能研究的最新进展[J].中国水利水电科学研究院学报,2009,7(2)：249-255.

[3]丁学琦.大流量高水头水电站泄洪消能设计的探讨[J].西北水电,2009(6):1-5.

[4]练继建.高坝泄洪安全关键技术研究[J].水利水电技术,2009,40(8):80-88.

[5]罗永钦.高水头明流泄洪洞三维数值模拟研究[D].成都：四川大学，2006.

[6]沙海飞,吴时强,陈振文.泄洪洞整体三维紊流数值模拟[J].水科学进展,2006,17(4):507-511.

[7]张晓东.泄洪洞高速水流三维数值模拟[D].北京：中国水利水电科学研究院,2004.

[8] 董兴林,郭军,肖白云,等.高水头大流量旋涡竖井式泄洪洞的设计研究[J].水利学报,2000,31(11):27-33.

[9]杨朝晖,吴守荣,余挺,等.竖井旋流泄洪洞三维数值模拟研究[J].四川大学学报(工程科学版),2007,39(2):41-46.

[10]张晓东,刘之平,高季章,等.竖井旋流式泄洪洞数值模拟[J].水利学报,2003,34(8):58-63.

[11]吕宏兴，裴国霞.水力学[M].北京：中国农业出版社，2002.

收稿日期：2016-02-26；修改日期：2016-03-16

作者简介：范晏岗(1982-),男，四川南充人，新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局工程师．

中图分类号：TV135.2

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0221-03