不同引渠形式下深式短管进口泄流能力的试验研究

陈小威， 郑宏雅， 张宗孝， 严培

(1.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048; 2.彬县红岩河水库工程建设指挥办公室，陕西 咸阳 713500； 3.咸阳市水利水电规划勘测设计研究院，陕西 咸阳 712000)



不同引渠形式下深式短管进口泄流能力的试验研究

陈小威1， 郑宏雅2， 张宗孝1， 严培3

(1.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048; 2.彬县红岩河水库工程建设指挥办公室，陕西 咸阳 713500； 3.咸阳市水利水电规划勘测设计研究院，陕西 咸阳 712000)

为研究红岩河水库导流泄洪洞深式短管进口引渠形式由明渠改成涵洞后对其泄洪能力的影响，对其在明渠和涵洞两种形式下分别做水工模型试验，验证其水力特性。结果表明，较明渠形式，涵洞形式下的导流泄洪洞同水位下泄流量有不同程度的减小，下泄流量减小在导流泄洪洞进口为压力流状态时表现明显，且减小值随水位的升高而变大；大坝度汛期100年一遇洪水时，试验下泄流量较设计下泄流量约小6.35%；运行期100年一遇洪水时，试验下泄流量较设计下泄流量约小6.51%；运行期2 000年一遇洪水时，试验下泄流量较设计下泄流量约小6.95%。建议在将红岩河水库导流泄洪洞深式短管进口引渠由明渠改成涵洞形式后，需关注导流泄洪洞的下泄流量减小问题，避免由于水库下泄流量不足引起的大坝安全问题。

深式短管进口；流量系数；泄流能力；漩涡；导流泄洪洞

导流泄洪洞进口前段修建引渠可以改善水流直接从进口涌入泄洪洞而带来的不良流态问题，但引渠内的水流会带来雾化现象，威胁进口岸坡的稳定。若将引渠由明渠改成涵洞形式，可改善泄洪洞流态和保证岸坡稳定。但是通过模型试验观察发现，在将导流泄洪洞引渠由明渠改成涵洞形式后，大坝的泄洪能力有所下降。大坝泄洪能力不足会威胁整个工程的安全，需要予以重视并提出合理的解决方案。文中依托红岩河水库导流泄洪洞水工模型试验，对其因进口增加涵洞带来的泄流能力减小问题进行研究。

1　工程概况

红岩河水库导流泄洪洞建筑物由进口引渠段、放水塔、洞身段、拱涵段、出口明槽段、挑流鼻坎、护坦海漫段等部分组成。导流泄洪洞进口原设计引渠为明渠形式，考虑到岸坡的稳定性，施工前，设计人员将引渠由明渠形式改成涵洞形式，其平面布置如图1所示。

图1　引渠段平面布置

图1中，进口引渠(暗涵)段长45.0 m，断面形式为矩形，断面尺寸8.06 m×9.00 m。引渠后设置放水塔，塔体长25.3 m，塔内设5.5 m×6.2 m的事故检修闸门和5.5 m×5.5 m的工作弧门各一扇，工作弧门后为城门洞型洞身，断面尺寸6.5 m×9.6 m。红岩河水库导流泄洪洞进口设计为深式短管形式。

2　进水口流态

在水利工程的进水口前，如导流洞、泄洪洞、水泵等进口处，容易出现漩涡[1-2]。红岩河水库导流泄洪洞进水口在压力流状态下，进口前水流产生漩涡，使水流流态恶化。淹没水深S为水位减去850.00 m(导流泄洪洞底板高程)所得。进口引渠为明渠形式：当S=10.85 m时，导流洞进口前水流开始产生吸气漏斗，随着库水位的继续升高，漩涡变为贯通型的吸气漏斗，至S=20.10 m时，贯通型的吸气漏斗式漩涡最强烈，在进口内伴有吸气声音，进口上游水面有明显波动，影响进口及洞内水流的流态；随着库水位的升高，进口上游水面波动逐渐变弱，进口前开始出现间断的贯通型吸气漩涡，至S=33.35 m时，间断型的吸气漩涡基本消失，库水位达883.35 m以上时，进水口周围的水面平稳。进口引渠为涵洞形式：当库水位达到859.78 m及以上时，导流洞进口水流流态变为压力流；S=14.59 m时，涵洞进口前水流开始产生吸气漏斗，随着库水位的继续升高，漩涡变为贯通型的吸气漏斗，至S=26.50 m时，贯通型的吸气漏斗最强烈，在进口内伴有吸气声音，进口上游水面有明显波动，影响进口及

洞内的水流流态；随着库水位的升高，进口上游水面波动逐渐变弱，进口前开始出现间断的贯通型吸气漩涡，至S=38.39 m时，间断型的吸气漩涡基本消失，涵洞进口周围的水面平稳。对以上两种引渠形式，在压力流状态下，进口前水流均会产生漩涡，区别是，导流泄洪洞引渠由明渠形式改为涵洞形式后水流产生的漩涡发展变得滞后了。

3　泄流量

如图2所示，导流泄洪洞引渠为明渠形式时，试验下泄流量值和设计下泄流量值接近，泄流能力基本满足设计要求。

图2　明渠形式库水位-下泄流量曲线

由表1知，大坝度汛期50年一遇洪水时，试验下泄流量与设计下泄流量之间的差值最大，试验下泄流量较设计下泄流量小2.29%。

如图3所示，导流泄洪洞引渠为涵洞形式，进口水流在压力流状态下，试验下泄流量大部分值都比设计下泄流量值小，且随着库水位的升高，二者的差值有增大的趋势。

表1　不同工况库水位及相应泄流量

图3　涵洞形式下库水位-下泄流量曲线

由表1知，大坝度汛期50年一遇洪水时，试验下泄流量较设计下泄流量小7.1%；大坝度汛期100年一遇洪水时，试验下泄流量较设计下泄流量小6.35%；运行期100年一遇洪水时，试验下泄流量较设计下泄流量约小6.51%；运行期2 000年一遇洪水时，试验下泄流量较设计下泄流量约小6.95%。

4　流量系数

导流泄洪洞进口水流在压力流状态下，流量系数按如下公式计算：

(1)

式中：μ试验为导流泄洪洞进口水流的流量系数，它是综合反映水流能量损失和收缩程度的一个量；Q为下泄流量，m3/s；A为右岸导流泄洪洞控制断面面积，A=5.5×5.5=30.25(m2)；g为重力加速度，g取9.8 m/s2；H为作用水头，m，按库水位减去右岸导流泄洪洞进口控制段压坡末端顶高程855.50 m计算得到。

如图4所示：进口水流在稳定的压力流状态下流动时，导流泄洪洞引渠为明渠形式时，流量系数μ的范围为0.862～0.892；导流泄洪洞引渠为涵洞形式时，流量系数μ的范围为0.838～0.843。

图4　流量系数-库水位曲线

导流泄洪洞进口流量减小是由流量系数的减小导致的，依据公式为[3]

(2)

式中：ξ为局部阻力系数；l为底板长度，m；c为谢才系数；R为水力半径，m。

导流泄洪洞引渠由明渠形式改成涵洞形式后，在压力流状态下，l增大，ξ中多出一项涵洞弯曲的局部阻力系数[4-5]。根据红岩河水库导流泄洪洞进口不加涵洞和加涵洞两种形式下μ值的变化，可由式(2)推导出在导流泄洪洞进口增加一段45 m长的引渠涵洞后，ξ的增加量Δξ=0.078～0.150。

一般建议深式短管进口水流流量系数μ取为0.900[6]，笔者根据近年来自己所参与的工程实例，对其中的深式短管进口水流流量系数进行了统计，结果见表2。

由表2知，深式短管进口水流流量系数建议取值0.900是合适的。但是由于现实中各工程的地质等条件千差万别，设计人员综合考虑各种因素后所设计的导流泄洪洞进口在很多情况下不完全符合深式短管进口的条件。这时需要设计人员对μ的取值进行适当的修改，以保证工程的安全性和经济性。由红岩河水库右岸导流泄洪洞、龙潭水库导流泄洪洞、王圪堵水库泄洪排沙洞、清原抽水蓄能电站下水库泄洪放空洞这几个工程实例数据(表2)表明：当进口为深式短管进口，进口前段没有涵洞(或仅有导墙)时，进口水流流量系数建议取值0.900是合适的；但是，红岩河水库和煤窑沟水库导流泄洪洞在进口前增加一段涵洞后，其进口水流流量系数均比深式短管进口流量系数建议取值小。

表2　深式短管进口水流流量系数统计

5　结语

1)导流泄洪洞进口引渠由明渠改成涵洞形式后，进口水流的流态没有明显改善，在压力流状态下，进口水流仍然产生漩涡，只是漩涡的产生和发展滞后了。

2)深式短管进口前没有涵洞式引渠时，文献[6]建议的水流流量系数取值0.900是合适的；但是，在进口加涵洞后，水流流量系数会有不同程度的减小，对水库泄流能力产生了影响，将影响大坝的安全。在红岩河水库导流泄洪洞进口明渠改成涵洞形式后，在压力流状态下，进口局部水流的阻力系数增大0.078～0.150，导致进口水流的流量系数减小，水库的下泄流量减小。

[1]王英奎．立轴漩涡的力学特性与防控措施研究[D]．北京：清华大学，2011．

[2]高传昌，解克宇，黄丹，等．不同水位对泵站进水池流态影响的数值模拟[J]．华北水利水电大学学报(自然科学版)，2015，36(6)：10-14．

[3]马文慧，付希文．在泄洪洞(方洞)泄量计算时对(μ)、(μ0)值的计算选择探讨[J]．吉林水利，2010(1)：36-38．

[4]付希文，张国东．泄洪洞(方洞)闸门局部开启时流量系数μ0值的计算[J]．吉林水利，2009(12)：31-35．

[5]贺昌海，王新平．施工导流模型试验中导流洞出口η值的研究[J]．水利与建筑工程学报，2009，7(2)：48-49．

[6]林继镛．水工建筑物[M]．北京：中国水利水电出版社，2009：395．

Experimental Study of Discharge Capacity of Intake with Pressure Short Pipe in Different Forms of Approach Channel

CHEN Xiaowei1, ZHENG Hongya2, ZHANG Zongxiao1, YAN Pei3

(1.School of Water Resources and Hydroelectric Enginering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China;2.The Construction Headquarters Office of Hongyanhe Reservoir Project of Binxian County, Xianyang 713500, China;3.Xianyang Research Institute of Water Conservancy and Hydropower Planning and Design, Xianyang 712000, China)

In order to study the effect of the approach channel form of intake changed from open channel into culvert on the discharge capacity of diversion spillway tunnel in Hongyanhe Reservoir, we respectively conducted hydraulic model tests to verify its hydraulic characteristics under the circumstances of two approach channel forms, open tunnel and culvert. The results show: compared with the open channel, the discharge capacity of the diversion spillway tunnel weakens at the same level in the form of culvert, and the phenomenon is obvious especially when the intake of diversion spillway tunnel is in a state of pressure flow, and the decrease value of discharge will increase with the increase of the reservoir level; the experimental value of discharge is 6.35% less than the design value when the flood of 100-year frequency (p=1%) occurs during the flood period of dam, 6.51% less than the design value whenp=1% during the operation period of dam, and 6.95% less than the design value when the flood of 2000-year frequency (p=0.05%) occurs during the operation period of dam. It is suggested that designers should attach importance to the decrease of discharge to avoid the impact due to the insufficient discharge capacity caused by the approach channel form of diversion spillway tunnel intake changed from open channel into culvert.

intake with pressure short pipe; discharge coefficient; discharge capacity; vortex; diversion spillway tunnel

2016-05-30

陈小威(1990—)，男，河南周口人，硕士研究生，主要从事水工水力学及多相流理论方面的研究。E-mail：cxw1582518455@163.com。

TV132

A

1002-5634(2016)04-0083-04

(责任编辑：杜明侠)

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2016.04.014