无压输水洞洞内消能优化研究

2011-04-02尹明玉魏恒文

东北水利水电 2011年8期

尹明玉，王浩，魏恒文，李强

（1．中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021；2．北京市水利水电技术中心，北京 100073）

0 引言

作为常见的输水建筑物，无压隧洞在水利工程中应用广泛。通常情况下的无压隧洞洞内水流的流速较小，无需消能，然而当水头较高时，洞内的水流流速可能会很大，因此，需要设置消能工进行消能。

许多已建工程都将消能工设置在无压隧洞出口之后，使得高水头下产生的高速水流对整个隧洞边壁产生强烈的冲刷，并且洞内水流的水面产生较大的波动，从而提高了对隧洞护面衬砌材料的要求，造成工程造价的增加。同时，高速水流可能会导致明满流交替等一系列不利的水流现象，影响工程的安全运行。

若能在隧洞进口处合理设置洞内消能工，减小洞内水流流速，就可有效改善隧洞结构的受力状况及消能效果，同时降低工程造价。由于洞内消能工属于隐蔽工程，一旦出现问题不易发现，同时由于消能工本身的复杂性，使得设置洞内消能工在技术上的要求较高。本文依托西藏旁多水利枢纽灌溉输水洞水力学模型试验，展开无压输水洞洞内消能及消能工优化研究，可为日后类似工程的建设提供参考。

1 工程概况

旁多水利枢纽工程为拉萨河中段梯级开发之首，是西藏自治区“十一五”重点水利建设项目，是一座以灌溉、发电为主，兼顾防洪和供水等综合利用的大型水利枢纽工程。水库死水位4 066.0 m，正常蓄水位4 095.0 m，总库容1.23×109m3，电站装机容量160 MW。

灌溉输水洞设计引用流量10 m3/s，运行水位区间为4 066.0～4 095.0 m，主要承担为65 km外林周县澎波灌区15 446.67 hm2农田灌溉供水的任务。输水洞采用竖井式有压进水口，无压输水段，其中，进口底板高程4 061.6 m，进口有压洞长19.25 m，宽3.0 m，末端由4.0 m长的渐变段与高40.5 m的闸门竖井相连，平板事故钢闸门，弧形工作钢闸门。弧形工作闸门平直段后设矩形断面下挖式消力池，以1∶4斜坡与进口底板相连，采用底流消能工的布置型式，消力池长27.6 m，深2.6 m，采用现浇钢筋混凝土结构。消力池出口由长10 m的渐变段与下游无压隧洞相连，隧洞全长16.813 km，纵坡0.1%。

由于输水洞设计引用流量较小（10 m3/s），水头较高且变幅大（变化区间4.4～33.4 m），库水位的变化对隧洞内的水流流态影响很大。为防止库水位的变化引起水流闷孔，对工程运行造成不利影响，需要通过水力学模型试验来确定消能方式及消能工尺寸。

2 模型设计

模型设计遵循重力相似准则，同时应满足水流紊动阻力相似。结合建筑物尺寸、试验场地规模、选用的试验材料及可能出现的比尺效应，模型几何比尺确定为1∶15。输水洞模型布置见图1。

除上游库区地形及引水渠段采用水泥砂浆抹面外，模型其它各部分均采用有机玻璃制作，经率定，能够满足相似要求。

3 消能工优化

经过多次的试验对比和观察发现，库水位4 095.0 m为工程正常运行时影响消力池的最不利工况，因此，选择此工况进行消能工比选试验。

3.1 原方案试验

原方案消力池体型见图2。

库水位为4 095.0 m时，闸门出口平均流速约20.00 m/s，最大流速为24.60 m/s，水流在离开水平段进入斜坡段时即产生射流，射流水平长度约7.0 m，可近似认为入水点为水跃跃首，跃前水深约1.9 m，流速最大值约7.27 m/s；跃后水深约4.6 m，流速最大值从底至表分别为0.71，1.05，2.91 m/s；跃长约18.0 m。同时，由于水流的脉动作用，水跃伸缩范围约1.0 m。

由于射流入水时对斜坡的冲击较大，不利于工程安全，且斜坡水跃的跃首伸缩具有不稳定性，为保证闸门运行安全，改善入池水流的流态，以确保消力池在正常运行时的安全，需要对其体型进行修改。

3.2 修改方案试验

修改方案首先对消力池首部连接的扩散斜坡段体型进行修改，以消除射流状态，改善跃首位置及消力池水流流态。经过多种方案的对比试验研究，最终提出了一种比较经济合理的消能设施—反坡式台阶坎底流消能工。

修改方案布置如下：将消力池进口底板向下游延长2.85 m，过渡段的1∶4斜坡两端分别通过半径15.0 m，圆心角为14°的圆弧与进口底板和消力池底板相连，过渡段水平长14.1 m，消力池进口底板高程4 061.6 m；消力池长21.05 m，深2.6 m，尾部改为反坡式台阶坎，第一台阶起点距消力池出口10.0 m，水平长度1.8m，顶高程4 059.8 m；第二台阶起点距消力池出口8.2 m，止于消力池出口断面，起点顶高程4 060.8m，终点顶高程4 061.6 m（图 3）。

同样在库水位4 095.0 m时，水流出闸门后，贴坡面进入消力池，射流现象完全消除。水跃向下游推移，其中，跃首向下游推移约1 m，跃前水深约0.8 m，流速最大值为22.94 m/s；跃尾向下游推移约5.0 m，跃后水深约4.7 m，流速最大值自底至表分别为 2.30，2.01，1.92 m/s；跃长约 21.0 m。同时，水跃基本达到稳定状态，其前后1.0 m的伸缩现象基本消失，水流出消力池后与下游能够平顺连接，可以保证无压洞的安全运行。

4 结果分析

4.1 消力池体型

试验结果表明，下挖式消力池能较好地解决无压输水洞洞内消能问题。

原方案之所以会在闸门出口的水平段末端产生射流，主要是输水洞处于高水位、小开度的运行状况时，闸门出口水流流速较高，而水平段较短，且体型突变较大，引起水流脱离边界。消力池中水跃跃前断面平均流速超过16~18 m/s（平均值为21.04 m/s，最大值达到 22.94 m/s），池内不宜设趾墩、消力墩等辅助消能工。同时，对体型的修改仍需考虑施工难易程度，以尽量简单的体型解决问题。工程处于高海拔的西藏地区，施工及运行后的维护工作更是具有相当的难度。经过多种方案的对比试验，最终选用了修改后的体型，成功地解决了问题。

试验与计算表明，洞内消力池的型式与一般底流消能的消力池相同，其消力池的池深与池长可按一般消力池进行水力设计。

4.2 消能效率

消力池段消能效率计算采用水跃段消能效率计算公式：

式中：Ej为消力池段（水跃段）的消能量；E1，E2分别为跃前、跃后断面的总能量；h1，h2分别为跃前、跃后断面的水深；v1，v2分别为跃前、跃后断面的平均流速。

经计算，原方案消力池段消能效率很低为14.62%，主要因为水流的绝大部分能量在射流冲击斜坡入水时被消散，导致消力池未能得到充分利用。修改方案消能效率为77.66%，有效地利用了水跃消能。

4.3 涌浪高度

原方案无压洞内的最大涌浪高度为0.50 m，已经超过直墙范围，且偶尔会出现较大的冲击波敲击洞顶的现象。造成这种现象的主要原因是在水流的脉动作用下，水跃在消力池前后1.0 m的范围伸缩，导致出消力池后可能产生较大的涌浪，涌浪过大则不利于无压洞的运行安全，SL279-2002《水工隧洞设计规范》规定“采用圆拱直墙形断面时，水面线不宜超过直墙范围”。

通过反坡式台阶坎的调节，最大涌浪高度减小0.25 m，未超出直墙范围，且较大的冲击波消失，满足了安全运行的要求。