导流泄洪洞水力分析计算与试验研究

张红武

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 导流泄洪洞过流能力计算

导流泄洪洞在工程施工期间用于导流，工程完建后用于泄洪，在实际应用过程中会出现明流和有压流两种工况，计算时应按两种工况分别进行。有压流时泄流量由出口闸门控制，出口工作闸门局部开启时，采用闸孔出流公式及有压洞泄流公式分别计算不同水位、开度及所对应的流量值。

1.1 工程实例

某水电站有一内径8 m、长686.72 m的导流泄洪洞，其主体建筑物由引渠段、进水段、进水闸室段、进口渐变段、洞身段、出口渐变段、出口闸室段、挑流消能段及出水渠段组成。引渠段长7.72 m，梯形断面与水流进口相接处底宽15.9 m；进水段全长18.7 m，进口喇叭段长8 m，三面收缩，顶板和两侧墙均为1/4椭圆曲线；进水闸室段为竖井式进水塔；进水渐变段全长30 m，由8 m×8 m的矩形断面渐变为直径8 m的圆形断面；洞身段为直径8 m的圆形断面，全长500 m，底坡1/200；出口渐变段全长20 m，由直径8 m的圆形断面渐变为7.0 m×6.5 m的矩形断面，底坡0；出口闸室段全长26 m，闸孔净尺寸7.0 m×6.5 m，底板相对高程-2.5 m；消能段全长30 m，排角20°，底宽从7 m渐扩至11.2 m；出水渠段全长46 m，底坡1/50。

1.2 导流泄洪洞过流能力水力学计算结果

根据计算，库水位为814.00 m时，衬砌前后的导流泄流能力分别为612.36 m3/s，402.86 m3/s；设计洪水位854.22 m及校核洪水位859.60 m时，衬砌后的有压流泄流能力分别为942.74 m3/s，998.32 m3/s。

2 过流能力试验验证

以某水电站为原型，用几何比尺λL=40做水工模型试验，试验结果见表1。

表1 模型试验测得的库水位与泄量关系

分析表1成果可知，流量为500 m3/s时，试验结果与计算结果相同，流量小于500 m3/s时，实测库水位略高于水力学计算结果，流量大于500 m3/s时，试验得出的库水位略低于水力学计算结果。

3 压坡线水力计算与试验验证

3.1 压坡线水力计算

计算压坡线时，应首先算出泄洪洞各压段的沿程水头损失和局部水头损失。计算得设计洪水位为854.22 m时，对应泄量为942.74 m3/s；校核洪水位为859.60 m时，对应泄量为998.32 m3/s；汛限水位为848.00 m时，对应泄量为874.02 m3/s。

在此三种工况下，计算得到的压坡线见表2。

表2 压力洞段压坡线计算成果表 单位：m

从表2可以看出，汛限水位848.00 m的情况为最不利运行条件，导流泄洪洞洞顶以上压力水头2.46 m大于2 m，满足规范要求。

3.2 试验结果分析

通过试验发现，实测得到的压坡线与表2计算的压坡线基本一致，最不利运行条件较为吻合，且测压管水头值均高于洞顶高程2 m以上，符合规范要求。

4 挑流消能计算与试验验证

4.1 总挑距和冲坑深度计算

总挑距为鼻坎至下游水面的挑距和水面以下水舌长度的水平投影之和。

经计算，校核流量下的总挑距为128.42 m，冲坑厚度44.01 m。而下游水深为2 m，故得冲坑深度为42.01 m，由此计算得冲坑压坡为1/3.06，在允许压坡范围内，冲坑不会危及洞身安全。

4.2 试验结果对比

试验得到的校核流量下的挑距为38.8 m，而挑坎出口后的出水渠段长为46 m，即该挑流水舌的落点在出水渠段内而达不到下游河床，故无挑距和冲坑深度。比较计算得到的68.14 m，比试验得到的38.8 m大得多，在实际应用时应考虑这一因素。

5 结论

综上所述，本文论述的导流泄洪洞过流能力和压坡线计算结果与试验结果基本相符；挑流消能的计算结果比试验结果大得多，根据相关工程的试验资料、原型观测值与计算值的大小情况，究其原因除挑流水舌表面与挑坎挑射角度不同外，最重要的因素是水舌在空气中的掺气扩散作用，二者差异的不确定性在实际应用时应慎重考虑，确保工程建成后安全运行。