龙抬头式泄洪洞水工模型试验分析

张学琴，张文娟，徐海涛，张怀龙，孙玉广

（章丘黄河河务局，山东　济南　250200）

0　引言

龙抬头式泄洪洞是水利工程中常见的泄水建筑物，用于宣泄库区内多余的洪水。由于龙抬头式泄洪洞具有高水头和大流速的特点，因而在宣泄洪水时常伴有脉动、振动、空化、空蚀、冲刷及雾化等不良的水力学问题。近年来，许多专家学者对龙抬头式泄洪洞的水力特性展开了大量的试验研究：分析了龙抬头式泄洪洞反弧段末端的掺气减蚀问题[1-2]，对龙抬头式泄洪洞3种挑坎的挑流效果进行了对比分析[3-5]。探讨了龙抬头式泄洪洞高落差连接段的水力特性[6-8]。

根据库区右岸2号龙抬头式泄洪洞实际工程，采取水工模型对该泄洪洞水力特性进行了试验研究，分析了设计与校核两种洪水位条件下，泄洪洞的泄流能力，水面线、测压管水头、空化数及河道冲刷。

1　工程概况

黄河小浪底水库位于洛阳市孟津县小浪底镇，流域控制面积为69.42万km2，总库容为126.5亿m3，装机容量为1800MW。正常蓄水位为531.32m；设计洪水位为535.55m，下泄流量为983.6m3/s；校核洪水位为538.35m，下泄流量为1092.4m3/s。

2号龙抬头式泄洪洞布置于库区右岸山体，由引渠段、进口段、洞身段和挑流段等四部分所组成。泄洪洞下游河道为砂砾石河床，全长150.0m。

引渠段全长57.15m，边坡1∶0.3，底板高程490.0m。

进口段断面尺寸由13.6m×9.83m（宽×高）渐变为9.0m×7.2m（宽×高），顶板与侧墙均为1/4的椭圆。

洞身为城门洞型，断面尺寸为9.0m×6.72m（宽×高），全长为251.0m。洞身段由渥奇段、直线段、反弧段及缓坡段等4部分组成。其中，渥奇段底板曲线方程为y=x2/260；直线段坡度为1∶2；反弧段半径为40.0m；缓坡段坡度为1∶100。

挑流段设窄缝挑流鼻坎，全长为30.0m，挑流角度为25°，反弧段半径为40.0m，挑流鼻坎顶部高程为468.39m。

2　模型设计与测点布置

2.1　模型设计

根据试验任务要求，本模型按照重力相似准则进行设计，选用几何比尺为1∶40。模型范围包括上游库区、引渠段、进口段、洞身段、挑流段及下游河道等。水工模型根据山西省水利勘测设计院提供的图纸资料制作，模型平面误差小于2mm，高程误差小于0.5mm。泄洪洞引渠段、进口段、洞身段及挑流段均采用有机玻璃制作，模型边墙采用红砖和水泥砌筑，上游库区和下游河道采用泥砂浆粉面拉毛，满足天然河道的阻力相似。小浪底水库下游河道基岩为泥质粉砂岩，根据基岩的抗冲能力，由伊兹巴申公式（其中，Vm水工模型试验动床石料的直径；d是原河床石料平均粒径）来选取模型下游河道的石料粒径。由于设计挑流水舌落点附近强风化基岩的抗冲流速为4.0～5.0m/s，因此，选用的下游河道石料的中值粒径约为12.5mm。

水工模型下游河道排水管的末端采用矩形薄壁量水堰测量下泄流量。采用钢直尺测量泄洪洞底板处的测压管水头。水位高程采用SW40型日记式水位计进行量测。运用LS300-A型便携式流速流量仪测定不同断面处的流速分布。

2.2　测点布置

龙抬头式泄洪洞测点布置在进口段至挑流段之间。泄洪洞进口段沿程布置10个测点。进口支墩内侧垂向布置6个测点。洞身渥奇段、直线段、反弧段及缓坡段共布置45个测点，且测点距地板2.0cm。挑流段底板的中心线上连续布置12个测点。

3　结果分析

3.1　泄流能力

龙抬头式泄洪洞的流量系数计算公式为[1]：

式中：μ为流量系数；Q为下泄流量，m3/h；B为弧型闸门控制的闸孔宽度，m；a为闸孔高度，m；H为进水口底板以上的作用水头，m；重力加速度g为9.81m/s2。泄洪洞流量系数计算得表1。

表1　泄洪洞流量系数

从表1中可知，模型试验测量的流量系数略高于设计流量系数，表明泄洪洞的泄流能力满足要求。

3.2　水面线分布

泄流流量达到设计和校核洪水位条件时，自闸孔出口起，水面线沿程逐渐降低，并且渥奇段以后水面线将趋于平稳。泄洪洞最大洞身水深为5.53m，低于泄洪洞侧边墙高度6.72m，表明洞内不会出现水体接近洞顶引起封顶或明满流交替的现象，洞内空气通畅，水流流态稳定。洞身渥奇段水深比缓坡段水深大，原因是流体经过渥奇段底板时产生波浪，波浪破碎卷入空气形成掺气水流，使水面线升高。

3.3　测压管水头分布

泄洪洞沿程测压管水头变化幅度较大。洞身渥奇段测压管水头较低，原因为流体经过渥奇段底板时流速过快，流体表面波破碎形成掺气水流，压强降低。洞身反弧段测压管水头突然升高，是由于该区域离心率为零，流体不产生负压。洞身缓坡段的测压管水头趋于稳定，且沿程测压管水头逐渐降低。

3.4　空化数分布

在实际工程中一般以空化数作为判别泄水建筑物是否发生空化空蚀危险的重要标准。泄洪洞空化数计算公式[3]如下：

式中：K为空化数；p为绝对压强，m；pv为蒸汽压强，根据水力学蒸汽压强表，水温为20℃，蒸汽压强为0.238m；γ为水的容重，N/m3；u为断面平均流速，m/s。

工程中通常认为空化数K小于0.2～0.3时，泄洪洞内必然会发生空化、空蚀的现象。通过计算泄洪洞沿程侧墙空化数均大于0.3，因此泄洪洞侧墙区域不易发生空蚀破坏，泄洪洞结构设计符合要求。

3.5　河道冲刷

根据《水工（常规）模型试验规程》，水工模型需连续冲刷2h后，测量挑流射程及冲坑深度[4]。泄洪洞挑流射程及冲坑深度见表2。

表2　泄洪洞挑流射程及冲坑深度　单位：m

根据表2可知，下游河道的冲坑位置与挑流鼻坎相距较远，使得挑流冲坑不会危机到大坝主体基础的安全与稳定。从冲坑的发生位置和冲刷形状分析可知，冲坑对山体右岸的坡脚具有一定的冲刷和掏空作用，需要对右岸的山体采取锚杆加固等防冲刷措施，从而提高右岸山体坡面的稳定性。

4　结论

结合大型小浪底引黄水利实际工程，采用1∶40模型试验，对高水头2号龙抬头式泄洪洞的水力特性进行了试验研究，提出了可作为工程建设参考的龙抬头式泄洪洞的优化体型，主要结论如下。

龙抬头式泄洪洞设计和校核洪水位均能够达到预期的下泄流量，设计体型符合工程要求；

龙抬头式泄洪洞沿程的侧墙空化数均大于0.3，得到泄洪洞洞身侧墙区域不会发生空蚀危害；

泄洪洞的鼻坎挑流对河道下游坝体的稳定影响较小，主要是对右岸山体具有冲刷和掏空作用，需要采取适当的防冲刷措施。

［参考文献］

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