龍?zhí)ь^式泄洪洞水工模型試驗(yàn)分析

張學(xué)琴，張文娟，徐海濤，張懷龍，孫玉廣

（章丘黃河河務(wù)局，山東　濟(jì)南　250200）

0　引言

龍?zhí)ь^式泄洪洞是水利工程中常見的泄水建筑物，用于宣泄庫區(qū)內(nèi)多余的洪水。由于龍?zhí)ь^式泄洪洞具有高水頭和大流速的特點(diǎn)，因而在宣泄洪水時(shí)常伴有脈動(dòng)、振動(dòng)、空化、空蝕、沖刷及霧化等不良的水力學(xué)問題。近年來，許多專家學(xué)者對龍?zhí)ь^式泄洪洞的水力特性展開了大量的試驗(yàn)研究：分析了龍?zhí)ь^式泄洪洞反弧段末端的摻氣減蝕問題[1-2]，對龍?zhí)ь^式泄洪洞3種挑坎的挑流效果進(jìn)行了對比分析[3-5]。探討了龍?zhí)ь^式泄洪洞高落差連接段的水力特性[6-8]。

根據(jù)庫區(qū)右岸2號龍?zhí)ь^式泄洪洞實(shí)際工程，采取水工模型對該泄洪洞水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了設(shè)計(jì)與校核兩種洪水位條件下，泄洪洞的泄流能力，水面線、測壓管水頭、空化數(shù)及河道沖刷。

1　工程概況

黃河小浪底水庫位于洛陽市孟津縣小浪底鎮(zhèn)，流域控制面積為69.42萬km2，總庫容為126.5億m3，裝機(jī)容量為1800MW。正常蓄水位為531.32m；設(shè)計(jì)洪水位為535.55m，下泄流量為983.6m3/s；校核洪水位為538.35m，下泄流量為1092.4m3/s。

2號龍?zhí)ь^式泄洪洞布置于庫區(qū)右岸山體，由引渠段、進(jìn)口段、洞身段和挑流段等四部分所組成。泄洪洞下游河道為砂礫石河床，全長150.0m。

引渠段全長57.15m，邊坡1∶0.3，底板高程490.0m。

進(jìn)口段斷面尺寸由13.6m×9.83m（寬×高）漸變?yōu)?.0m×7.2m（寬×高），頂板與側(cè)墻均為1/4的橢圓。

洞身為城門洞型，斷面尺寸為9.0m×6.72m（寬×高），全長為251.0m。洞身段由渥奇段、直線段、反弧段及緩坡段等4部分組成。其中，渥奇段底板曲線方程為y=x2/260；直線段坡度為1∶2；反弧段半徑為40.0m；緩坡段坡度為1∶100。

挑流段設(shè)窄縫挑流鼻坎，全長為30.0m，挑流角度為25°，反弧段半徑為40.0m，挑流鼻坎頂部高程為468.39m。

2　模型設(shè)計(jì)與測點(diǎn)布置

2.1　模型設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)要求，本模型按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用幾何比尺為1∶40。模型范圍包括上游庫區(qū)、引渠段、進(jìn)口段、洞身段、挑流段及下游河道等。水工模型根據(jù)山西省水利勘測設(shè)計(jì)院提供的圖紙資料制作，模型平面誤差小于2mm，高程誤差小于0.5mm。泄洪洞引渠段、進(jìn)口段、洞身段及挑流段均采用有機(jī)玻璃制作，模型邊墻采用紅磚和水泥砌筑，上游庫區(qū)和下游河道采用泥砂漿粉面拉毛，滿足天然河道的阻力相似。小浪底水庫下游河道基巖為泥質(zhì)粉砂巖，根據(jù)基巖的抗沖能力，由伊茲巴申公式（其中，Vm水工模型試驗(yàn)動(dòng)床石料的直徑；d是原河床石料平均粒徑）來選取模型下游河道的石料粒徑。由于設(shè)計(jì)挑流水舌落點(diǎn)附近強(qiáng)風(fēng)化基巖的抗沖流速為4.0～5.0m/s，因此，選用的下游河道石料的中值粒徑約為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測量下泄流量。采用鋼直尺測量泄洪洞底板處的測壓管水頭。水位高程采用SW40型日記式水位計(jì)進(jìn)行量測。運(yùn)用LS300-A型便攜式流速流量儀測定不同斷面處的流速分布。

2.2　測點(diǎn)布置

龍?zhí)ь^式泄洪洞測點(diǎn)布置在進(jìn)口段至挑流段之間。泄洪洞進(jìn)口段沿程布置10個(gè)測點(diǎn)。進(jìn)口支墩內(nèi)側(cè)垂向布置6個(gè)測點(diǎn)。洞身渥奇段、直線段、反弧段及緩坡段共布置45個(gè)測點(diǎn)，且測點(diǎn)距地板2.0cm。挑流段底板的中心線上連續(xù)布置12個(gè)測點(diǎn)。

3　結(jié)果分析

3.1　泄流能力

龍?zhí)ь^式泄洪洞的流量系數(shù)計(jì)算公式為[1]：

式中：μ為流量系數(shù)；Q為下泄流量，m3/h；B為弧型閘門控制的閘孔寬度，m；a為閘孔高度，m；H為進(jìn)水口底板以上的作用水頭，m；重力加速度g為9.81m/s2。泄洪洞流量系數(shù)計(jì)算得表1。

表1　泄洪洞流量系數(shù)

從表1中可知，模型試驗(yàn)測量的流量系數(shù)略高于設(shè)計(jì)流量系數(shù)，表明泄洪洞的泄流能力滿足要求。

3.2　水面線分布

泄流流量達(dá)到設(shè)計(jì)和校核洪水位條件時(shí)，自閘孔出口起，水面線沿程逐漸降低，并且渥奇段以后水面線將趨于平穩(wěn)。泄洪洞最大洞身水深為5.53m，低于泄洪洞側(cè)邊墻高度6.72m，表明洞內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)水體接近洞頂引起封頂或明滿流交替的現(xiàn)象，洞內(nèi)空氣通暢，水流流態(tài)穩(wěn)定。洞身渥奇段水深比緩坡段水深大，原因是流體經(jīng)過渥奇段底板時(shí)產(chǎn)生波浪，波浪破碎卷入空氣形成摻氣水流，使水面線升高。

3.3　測壓管水頭分布

泄洪洞沿程測壓管水頭變化幅度較大。洞身渥奇段測壓管水頭較低，原因?yàn)榱黧w經(jīng)過渥奇段底板時(shí)流速過快，流體表面波破碎形成摻氣水流，壓強(qiáng)降低。洞身反弧段測壓管水頭突然升高，是由于該區(qū)域離心率為零，流體不產(chǎn)生負(fù)壓。洞身緩坡段的測壓管水頭趨于穩(wěn)定，且沿程測壓管水頭逐漸降低。

3.4　空化數(shù)分布

在實(shí)際工程中一般以空化數(shù)作為判別泄水建筑物是否發(fā)生空化空蝕危險(xiǎn)的重要標(biāo)準(zhǔn)。泄洪洞空化數(shù)計(jì)算公式[3]如下：

式中：K為空化數(shù)；p為絕對壓強(qiáng)，m；pv為蒸汽壓強(qiáng)，根據(jù)水力學(xué)蒸汽壓強(qiáng)表，水溫為20℃，蒸汽壓強(qiáng)為0.238m；γ為水的容重，N/m3；u為斷面平均流速，m/s。

工程中通常認(rèn)為空化數(shù)K小于0.2～0.3時(shí)，泄洪洞內(nèi)必然會(huì)發(fā)生空化、空蝕的現(xiàn)象。通過計(jì)算泄洪洞沿程側(cè)墻空化數(shù)均大于0.3，因此泄洪洞側(cè)墻區(qū)域不易發(fā)生空蝕破壞，泄洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。

3.5　河道沖刷

根據(jù)《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》，水工模型需連續(xù)沖刷2h后，測量挑流射程及沖坑深度[4]。泄洪洞挑流射程及沖坑深度見表2。

表2　泄洪洞挑流射程及沖坑深度　單位：m

根據(jù)表2可知，下游河道的沖坑位置與挑流鼻坎相距較遠(yuǎn)，使得挑流沖坑不會(huì)危機(jī)到大壩主體基礎(chǔ)的安全與穩(wěn)定。從沖坑的發(fā)生位置和沖刷形狀分析可知，沖坑對山體右岸的坡腳具有一定的沖刷和掏空作用，需要對右岸的山體采取錨桿加固等防沖刷措施，從而提高右岸山體坡面的穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

結(jié)合大型小浪底引黃水利實(shí)際工程，采用1∶40模型試驗(yàn)，對高水頭2號龍?zhí)ь^式泄洪洞的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了可作為工程建設(shè)參考的龍?zhí)ь^式泄洪洞的優(yōu)化體型，主要結(jié)論如下。

龍?zhí)ь^式泄洪洞設(shè)計(jì)和校核洪水位均能夠達(dá)到預(yù)期的下泄流量，設(shè)計(jì)體型符合工程要求；

龍?zhí)ь^式泄洪洞沿程的側(cè)墻空化數(shù)均大于0.3，得到泄洪洞洞身側(cè)墻區(qū)域不會(huì)發(fā)生空蝕危害；

泄洪洞的鼻坎挑流對河道下游壩體的穩(wěn)定影響較小，主要是對右岸山體具有沖刷和掏空作用，需要采取適當(dāng)?shù)姆罌_刷措施。

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