導流洞出口段體型優(yōu)化模型驗證研究

馬斌1，李麗2，張宗孝3

(1.西京學院 工程技術系，西安710048； 2.宣城市水務局 工程管理處，安徽 宣城242000；

3.西安理工大學 水利水電學院，西安710048)

摘要：通過水工模型試驗，測定導流洞出口在擴散情況和消力池方案時在不同工況下對下游河床沖淤的情況(沖刷范圍及沖坑深度)，及對河道兩岸岸坡的影響；根據(jù)試驗分析結(jié)果，提出了出口擴散段體型優(yōu)化建議，并把優(yōu)化過的模型再進行試驗比選出最優(yōu)的。通過模型試驗并結(jié)合工程實際情況選擇最優(yōu)方案，對原設計方案有重要的指導和驗證意義。為優(yōu)化導流洞出口方案，對導流洞原出口方案進行了5種工況的水工模型試驗，得出沖刷結(jié)果，并進行分析。提出改進方案1，對方案1進行同樣的試驗，得出沖刷結(jié)果進行分析。發(fā)現(xiàn)左岸沖刷嚴重，則在方案1的基礎上改進提出方案2，再對方案2進行同樣試驗，得出沖刷結(jié)果。對3個方案進行比選發(fā)現(xiàn)方案2是最佳設計方案。

關鍵詞：模型試驗；下游河床沖刷；出口擴散段；導流洞；試驗方案比選；最深沖點

中圖分類號：TV131.61文獻標志碼：A

1工程概況

三河口水利樞紐主要由大壩、壩身泄洪放空系統(tǒng)、壩后泵站、電站和連接洞等組成。水庫總庫容為7.1億m3，調(diào)節(jié)庫容6.6億m3，死庫容0.23億m3。樞紐大壩初選為碾壓混凝土拱壩，最大壩高145 m，按1級建筑物設計，引水、泄水建筑物為2級建筑物，次要建筑按3級設計，臨時建筑物為4級建筑物；樞紐大壩設計洪水標準為500 a一遇，校核洪水標準為2 000 a一遇，泵站、電站及連接洞按50 a一遇洪水標準設計，200 a一遇洪水標準校核；大壩下游消能防沖建筑物按50 a一遇洪水設計，消能防沖建筑物洪水按200 a一遇洪水進行校核[1]。

三河口水利樞紐工程導流洞布置于右岸，導流洞進口位于壩軸線上游240 m，出口位于壩軸線下游約400 m處，全長774.444 m。進口與河床主流夾角38.5°，出口與河床主流夾角28°。導流洞主要由進口段、洞身段和出口涵洞段、出口擴散段4部分組成[2]。

2模型試驗設計

根據(jù)模型試驗任務要求，模型按重力相似準則設計，選用幾何比尺為1∶50，上游為定床，下游河床做成局部動床模型，相應的其它物理量比尺見表1[3]。

表1　模型試驗各物理量比尺表 [4] Table 1 Scales of physical quantities of the model test [4]

圖1　模型布置 Fig.1　Layout of the model

3原方案導流洞下游沖刷試驗

3.1　原方案導流洞下游沖刷試驗成果

試驗分別進行了導流期(枯水期)10 a一遇洪水、導流期(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個工況情況下游河道沖刷試驗，各種頻率洪水下在模型上連續(xù)沖刷2 h(相當于原型14.1 h)，再停水量測沖刷坑地形。模型試驗沖坑形狀詳見圖2[7]，圖中數(shù)值表示高程(m),下同。表2是下游沖深特征值統(tǒng)計表。

表2　原方案下游沖深特征值統(tǒng)計 Table 2　Statistics of eigenvalues of downstream scouring depth in the original scheme

圖2　原方案導流期(全年)10 a一遇洪水下游 沖刷地形(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　原方案結(jié)論與建議

施放各種工況的洪水，從沖刷結(jié)果可知，隨著泄流量的增大，護坦末端的沖深和左岸岸坡的沖深增大，本工程導流的標準按全年10 a一遇洪水標準導流，該工況下護坦末端的最大沖深點高程為511.4 m，低于護坦521.399 m高程9.99 m深；左岸最深沖點高程為518.3 m，低于地面524.0 m高程5.7 m深，沖深范圍約131 m；右岸最深沖點高程為508.90 m，低于地面524.0 m高程15.10 m深，沖深范圍約163 m。沖刷相當嚴重，設計應演算左岸最深部位邊坡的穩(wěn)定性，護坦齒墻深入底部的高程按511.0 m考慮。

4修改方案的試驗成果

4.1　修改方案1的試驗成果

4.1.1修改方案1的形成

根據(jù)原方案導流泄洪洞的試驗結(jié)果，原方案挑坎下面齒墻沖刷十分嚴重，下游河道沖刷和右岸的沖刷也很嚴重，設計單位將導流洞出口挑坎做了相應的修改，具體為在護坦出口增加了反弧挑坎，同時將出口挑坎的左邊墻擴散角由原來的5°變?yōu)?0°，目的是讓水舌朝河床方向擴散，減小右岸的沖刷，右岸的邊墻擴散角度仍為5°。

4.1.2導流洞下游沖刷試驗成果

試驗分別進行和原方案相同的5個工況情況下游河道沖刷試驗，沖刷料的鋪設同原方案。模型試驗沖坑形狀詳見圖3。表3是下游沖深特征值統(tǒng)計表。

圖3　修改方案1導流期(全年)10 a一遇洪水下游 沖刷地形(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下游沖深特征值統(tǒng)計 Table 3　Statistics of eigenvalues of downstream scouring depth in modified scheme 1

表4　修改方案2下游沖深特征值統(tǒng)計 Table 4　Statistics of eigenvalues of downstream scouring depth in modified scheme 2

4.2　修改方案2試驗成果

4.2.1修改方案2的形成

根據(jù)導流洞出口挑坎修改方案1的試驗結(jié)果，較大流量時，左岸沖刷較原方案有加深現(xiàn)象，設計單位將導流洞出口挑坎又做了相應的修改，具體為在修改方案1挑坎反弧挑坎的基礎上，將左岸的邊墻向外擴散由原來的10°變?yōu)楝F(xiàn)在的8°，右岸的邊墻向外擴散由原來的5°變?yōu)楝F(xiàn)在的7°。

4.2.2導流洞下游沖刷試驗成果

試驗分別進行了和修改方案1相同的5個工況情況下游河道沖刷試驗，沖刷料的鋪設同原方案。模型試驗沖坑形狀詳見圖4。下游沖深特征值統(tǒng)計見表4。

圖4　修改方案2導流期(全年)10 a一遇洪水下游 沖刷地形(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與原方案比較的結(jié)論與建議

(1) 為了減輕原方案挑坎下面齒墻根部、下游河道和右岸的沖刷，修改方案1設計在護坦的末端增設了反弧挑坎，同時將出口挑坎的左邊墻擴散角由原來的5°變?yōu)?0°，目的是將修改后的挑流鼻坎將主流導在下游水位的表面之上，有面流消能的特點，同時將水流朝河床方向擴散，減小齒墻、下游河道和右岸的沖刷。試驗表明該修改方案流態(tài)發(fā)生了變化，出口水流由原方案的潛流消能變?yōu)槊媪飨艿奶攸c，挑坎下面的沖刷大為減輕，但該方案有主流沖刷下游左岸現(xiàn)象。

(2) 本工程導流的標準按全年10 a一遇洪水標準導流，修改方案1在該工況下，挑坎末端的最大沖深點高程為516.7 m，低于地面524.0 m高程7.3 m深;左岸最深沖點高程為519.0 m，低于地面524.0 m高程5.0 m深，沖深范圍約165 m;右岸最深沖點高程為515.8 m，低于地面524.0 m高程8.2 m深，沖深范圍約150 m。設計應演算左岸最深部位邊坡的穩(wěn)定性，挑坎齒墻深入底部的高程按516.0 m考慮。

該沖刷結(jié)果較原方案挑坎末端變淺，原設計方案最低沖深點高程為511.4 m，而修改方案1最低沖深點高程為516.7 m，最低沖深點高程變淺5.3 m；原設計方案河道最深沖點高程為506.75 m，而修改方案1最低沖深點高程為513.25 m，最低沖深點高程變淺6.5 m；原設計方案河道左岸最低沖深點高程為518.3 m，而修改方案1最低沖深點高程為517.8 m，該工況最低沖深點高程變深0.5 m，而在工況3和工況4及工況5時左岸沖刷均有所加深，說明修改方案1挑坎尚需進一步優(yōu)化。

4.4　修改方案2與修改方案1比較的結(jié)論與建議

(1) 根據(jù)導流洞出口挑坎修改方案1的試驗結(jié)果，挑坎齒墻根部、下游河道和右岸沖刷均有明顯減輕，但較大流量時，左岸沖刷較原方案有加深現(xiàn)象。因此設計單位將導流洞出口挑坎上的兩側(cè)邊墻向右均偏轉(zhuǎn)了2°，讓主流向河床中間稍有偏轉(zhuǎn)，形成了修改方案2，即左岸的邊墻向外擴散由原來的10°變?yōu)楝F(xiàn)在的8°，右岸的邊墻向外擴散由原來的5°變?yōu)楝F(xiàn)在的7°。

修改方案2較修改方案1使得大流量時主流向河道中心偏轉(zhuǎn)，左岸的沖刷較修改方案1稍有減小，說明修改起到了效果。其它部位的沖刷與修改方案1相當。

(2) 修改方案2全年10 a一遇洪水工況下挑坎末端的最大沖深點高程為517.05 m，低于地面524.0 m高程6.95 m深;左岸最深沖點高程為518.2 m，低于地面524.0 m高程5.8 m深，沖深范圍約155 m;右岸最深沖點高程為514.8 m，低于地面524.0 m高程9.2 m深，沖深范圍約170 m。設計應演算左岸最深部位邊坡的穩(wěn)定性，挑坎齒墻深入底部的高程按516.0 m考慮。

該沖刷結(jié)果較修改方案1挑坎末端變淺，全年10 a一遇洪水時，修改方案1最低沖深點高程為516.7 m，而修改方案2最低沖深點高程為517.05 m，最低沖深點高程變淺0.35 m；修改方案1河道最深沖點高程為513.25 m，而修改方案2最低沖深點高程為513.7 m，最低沖深點高程變淺0.45 m；修改方案1河道左岸最低沖深點高程為517.8 m，而修改方案2最低沖深點高程為518.2 m，該工況最低沖深點高程變淺0.4 m。

5結(jié)語

該試驗操作嚴謹，數(shù)據(jù)真實可靠，已經(jīng)達到了本試驗任務的要求。將2個修改方案比較，總體來說修改方案2的下游沖刷較修改方案1輕，修改方案2更能滿足工程的實際要求，故試驗推薦修改方案2作為本工程導流洞出口的推薦方案。

參考文獻：

[1]陜西省水利電力勘測設計研究院.陜西省引漢濟渭工程三河口水利樞紐導流洞水工模型試驗委托任務書(初步設計階段全年圍堰方案)[R]. 西安： 陜西省水利電力勘測設計研究院,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]陜西省水利電力勘測設計研究院.陜西省引漢濟渭工程三河口水利樞紐預可研設計報告[R].西安：陜西省水利電力勘測設計研究院, 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]左東啟.模型試驗的理論和方法[M].北京：水利電力出版社，1984. (ZUO Dong-qi. Theory and Methods of Model Test[M]. Beijing: Water Resources and Electric Power Press, 1984. (in Chinese))

[4]南京水利科學研究所.水工模型試驗[M].北京：水利電力出版社,1985. (Nanjing Hydraulic Research Institute. Hydraulic Model Test[M]. Beijing: Water Resources and Electric Power Press, 1985. (in Chinese))

[5]謝鑒衡.河流模擬[M].北京：中國水利水電出版社，1993. (XIE Jian-heng. River Modelling[M]. Beijing: China Water Power Press, 1993. (in Chinese))

[6]謝鑒衡.河床演變及整治[M].北京：中國水利水電出版社，1997. (XIE Jian-heng. Riverbed Evolution and Regulation [M]. Beijing: China Water Power Press, 1997. (in Chinese))

[7]SL155—95,水工常規(guī)模型試驗規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社,1995. (SL155—95, Specifications of Regular Hydraulic Model Test[S]. Beijing: China Water Power Press, 1995. (in Chinese))

(編輯：劉運飛)

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