前坪水库导流隧洞下游消力池水力特性研究

苏晓玉，李松平，王 源，袁吉娜，苏保印，潘 琨

（1.河南省科达水利勘测设计有限公司，河南郑州 450003；2.河南省水利科技应用中心，河南郑州 450003；3.河南省水利勘测有限公司，河南郑州 450003；4.河南科源水利建设工程检测有限公司，河南郑州 450003；5.山东中泽工程集团有限公司，山东菏泽 274008）

1 工程概况

前坪水库导流隧洞布置在大坝右岸山体内，导流明渠长387 m，导流洞轴线总长760 m。进口底板高程343 m，闸孔尺寸7 m×9.80 m（宽×高），洞身城门洞型，长340 m，断面尺寸7 m×7.20 m+2.60 m（宽×直墙高+拱高)，出口底板高程342 m，底流消能，导流隧洞消力池末端尾水渠入注河道。设计洪水标准10 年一遇，库水位366.10 m，设计流量822 m3/s；20 年一遇，库水位372.60 m，设计流量973 m3/s.Wz 采用几何比尺1∶90 正态水工物理模型试验，对前坪水库导流隧洞原设计体型布置方案的合理性进行验证，重点对前坪水库导流洞消力池水力特性进行了试验分析，并提出了导流隧洞消力池原设计方案存在的问题和优化方案，为工程的设计提供参考。

2 模型制作及试验工况

2.1 模型制作

根据水工模型相似原理，水工模型比尺的选择必须满足水流运动相似准则和模型水流为紊流。结合试验场地，经综合考虑，确定选用模型几何比尺为λL=λH=90的正态模型。并由此确定出其它相关比尺，见表1。导流洞为施工隧洞由混凝土衬砌而成，糙率0.015，根据比尺计算模型糙率7.10×10-3，有机玻璃糙率0.007～0.008，因此导流洞身采用有机玻璃制作，下游出口消力池至尾水渠段用水泥砂浆抹制并做成净水泥表面。模型长度取为坝上1 189 m至坝下990 m，总长2 179 m；总宽1 422 m；高度以校核洪水位情况下，上下游水位加20 cm超高控制。

表1 模型试验各物理量比尺表

2.2 消力池原方案体型

原设计方案消力池长度从桩号0+385.70～0+480.70，总长95 m，消力池梯形断面，底宽35 m，正向坡度1∶6.36，底部高程336.50 m，底坎高程342 m。消力池横断面见图1。

图1 消力池原方案体型图

2.3 消力池优化后体型

修改后消力池桩号0+395.70～0+470.70，上游缩短10 m，正向坡度1∶4.55，由缓变陡，下游往上游缩短10 m，消力池总长75 m，底部高程及底坎高程均不变，见图2。

图2 消力池修改方案体型图

3 原设计方案泄流试验结果

3.1 泄流能力

试验在定床基础上进行。导流隧洞为人工开挖隧洞，水流流态为有压流，在施放10 年一遇洪水时，试验实测泄量为921 m3/s，较设计值大12.04%；在施放20年一遇洪水时，试验实测泄量为1 097 m3/s，较设计值大12.74%，因此导流隧洞泄流能力满足设计要求。

3.2 水流流态

①10年一遇洪水时，导流隧洞上游水面平稳，上游水流缓慢平顺地经引水渠进入闸室，由于进口地形不对称，坝前一小股水流沿导流洞进口左侧进入导流洞，产生横向水流，在导流遂洞进口产生一逆时针漩涡，漩涡中心位于导流洞进口正上方左侧，在导流遂洞进口附近游荡，漩涡最大直径约1.80 m，表面下陷，导流遂洞内水流为满流，洞顶有气囊存在。导流遂洞进口最大流速约8.12 m/s。下游出口水流在消力池形成水跃，跃首位于0+400.10断面，跃尾位于0+444.70断面，长44.60 m，水流在消力池内旋滚，跃高小，面大而弱。水流出消力池后流入弯道，由于水流做曲线运动后产生离心力，使右侧凹岸水面高于左侧凸岸水面，在弯道起点断面右岸水深3.18 m，左岸水深2.90 m，在弯道末端断面右岸水深3.39 m，左岸水深2.47 m。水流出弯道后直接流入尾水渠进入下游河道，尾水渠出口分两股水流，一股直接流入下游滩地进而流向下游主河槽，另一股沿尾水渠左岸回流向上进入坝下主河槽。②20年一遇洪水时，与①中不同的是，导流洞进口产生两个漩涡，一个漩涡中心位于导流洞进口塔架左前方附近，为逆时针漩涡，直径约1.35 m，另一个为顺时针游荡型间歇漩涡，直径最大约0.90 m，漩涡在右侧塔架后逐渐沿塔架游荡至塔架右侧中间慢慢消失。导流洞内满流，洞顶有少量间歇性气囊存在。导流洞进口最大流速约10.10 m/s。下游出口水流在消力池形成水跃，跃首位于0+402.80断面，跃尾位于0+465.70断面，长62.90 m，弯道起点断面右岸水深3.73 m，左岸水深3.13 m，弯道末端断面右岸水深3.94 m，左岸水深2.35 m。

3.3 水流流速及水面线

在两种特征工况洪水条件下，导流遂洞下游洞身出口沿程布置了7个断面进行流速测量，每个断面测量3个点分别是左岸、轴线和右岸。10年一遇洪水时，最大临底流速位于桩号0+385.70 断面，为10.99 m/s；20 年一遇洪水时，最大临底流速位于桩号0+385.70 断面，为15.21 m/s，在装号0+420.7 处骤降至2.85～3.33 m/s，因此处出现了回流现象，水流不稳定。

在两种特征水位10年一遇洪水和20年一遇洪水下，导流洞洞内为满流，导流洞下游水面高程均低于两侧护岸高程。

3.4 消力池消能效果

为分析消力池消能效果，对水跃弗劳德数和消能率计算：

式中：Fr为跃前断面急流的弗劳德数；v为跃前断面水流的平均流速；h为跃前断面的水深；g为重力加速度。

式中：K 为消能率系数；△E为水跃的消能总量；E1为跃前段的单位能量；E2为跃后段的单位能量。

10年一遇和20年一遇工况下Fr分别为3.53和4.37，2.50＜Fr＜4.50，均属于颤动水跃，消能率分别为33%和43%，水跃不稳定，水跃段中的高速底流间歇性地向水面蹿升，跃后水面波动波较大并向下游传播，消力池消能效率低。

4 修改方案水力特性试验结果

4.1 水流流态

①10 年一遇洪水时，导流洞上游水流流态与原方案一致，下游出口水流在消力池形成水跃，水跃跃首向下游移动4.90 m，水跃长度缩短至27 m，水流在消力池强烈翻滚。水流出消力池后平稳流入弯道，在弯道起点断面右岸水深2.69 m，左岸水深2.91 m，在弯道末端断面右岸水深3.50 m，左岸水深2.77 m。水流出弯道后直接流入尾水渠进入下游河道。②20年一遇洪水，导流洞上游水流流态与原方案一致，下游出口水流在消力池形成水跃，水跃跃首向下游移动4.9 m，水跃长度缩短至31 m，水流在消力池强烈翻滚。水流出消力池后平稳流入弯道，在弯道起点断面右岸水深3.18 m，左岸水深4.08 m，在末端断面右岸水深3.16 m，左岸水深2.91 m。水流出弯道后直接流入尾水渠进入下游河道。

4.2 水流流速及沿程水面线

导流隧洞泄放10年一遇和20年一遇洪水时，消力池最大流速均位于桩号0+395.70 断面，分别为16.54、18.31 m/s，分别增加了50%、21%，在消力池底坎处流速降到10.10、10.59 m/s，水流出弯道后流速继续下降至7.75 m/s。导流洞下游水面高程均低于两侧护岸高程。

4.3 修改方案消力池效能效果

10 年一遇和20 年一遇工况下Fr分别为4.54 和4.81，4.5＜Fr＜9.0，均属稳定水跃，消能率分别为45%和47%，水跃状态稳定，下游水流流态平稳，消力池消能效率提高明显。

5 结语

导流隧洞原设计方案，在10年一遇洪水与20年一遇洪水时，泄流能力均满足设计要求，但下游消力池效能效果较差。缩短消力池长度和增加正向坡坡度后，在两种洪水工况下，效能效果显著，而且减少工程开挖量，节约了工程投资。