猴子岩水电站深孔泄洪洞水力特性深入研究

徐 威

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)



猴子岩水电站深孔泄洪洞水力特性深入研究

徐 威

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文根据猴子岩水电站深孔泄洪洞水力学设计有关成果，结合招标阶段深化水力学物理模型试验研究内容，对需重点解决的高速水流水力特性问题进行深入分析研究，揭示了不同掺气坎体型、不同补气设施体型下泄洪洞的水力特性，并结合猴子岩泄洪洞具体的工程特点和水流条件，提出了有针对性的技术解决方案和评价，在解决本工程掺气减蚀问题的同时也为类似工程设计提供参考。

泄洪洞；水力特性；掺气；洞顶余幅；压强分布；补气

0 前 言

猴子岩水电站具有“水头高、泄量大、河谷窄、下游河道及岸坡抗冲能力较低”的特点。泄洪建筑物布置受限于上游右岸磨子沟、下游左岸泥洛堆积体，各建筑物布置较为紧凑；其中，深孔泄洪洞布置于河道左岸，受地形条件限制轴线上必须设一道转弯，故设计为有压接无压洞的布置型式，采用挑流消能；由进水口、有压洞段、工作闸室段、无压洞段、明渠段、出口挑坎等组成，其中，工作闸室布置于有压转弯洞段之后。根据泄量分配设计及调洪演算成果，泄洪洞控制闸门尺寸设计为12 m×9 m(宽×高)，最大泄量2 987 m3/s，出口最大流速约42 m/s。

深孔泄洪洞担负着工程重要的泄洪任务，使用频率较高，且下泄流量大、水力学条件复杂，考虑到其能否安全可靠运行，将直接影响本工程土石坝枢纽的安全。因此，在可行性研究阶段研究成果的基础上，在招标阶段深入开展了1∶25的大比例水力学模型试验深化研究，对猴子岩深孔泄洪洞水力特性进行了进一步试验论证，为深孔泄洪洞的体型设计和安全运行提供科学依据和理论指导。下面将主要结合设计分析及试验成果中有关掺气坎体型、洞顶余幅、流道压强分布、补气设施设置等研究内容进行分析论述。

1 试验工况拟定

根据调洪演算成果及进一步深入研究需要拟定的试验工况及对应泄量(计算成果)见表1。

表1 试验工况

2 掺气坎体型研究

2.1 掺气坎体型初拟

根据泄洪洞掺气减蚀需要，在无压洞段共设置两道掺气坎，从上游到下游分别为1号、2号掺气坎。根据原可研阶段成果，2号掺气坎在各种工况下均能充分掺气，而1号掺气坎在某些工况下掺气效果不理想，因此重点对1号掺气坎进行了优化研究，通过模型试验对6个掺气坎体型组合方案进行了深入试验研究。具体体型参数见表2。

表2 掺气坎体型参数

2.2 掺气坎试验成果及推荐体型

(1)方案一试验发现该方案1号掺气坎下积水较为严重，平均积水高度1.2 m，掺气效果不理想。

(2)方案二是在方案一的基础上将1号掺气坎高度增加到1.75 m，其余尺寸不变，该体型掺气效果有所改善，掺气坎下平均积水高度1.0 m，空腔长度为25 m，坎下积水波动较大，偶尔与水舌底缘接触，掺气效果仍不理想。

(3)方案三将1号掺气坎水平长度缩短为15 m，掺气坎高度为1.75 m，实测结果表明，该体型掺气坎下平均积水高度为0.8 m，空腔长度为28 m，积水没有封闭通气井，掺气顺畅。

(4)方案四将1号掺气坎水平长度缩短为7.5 m，掺气坎高度设为1.75 m。相对于方案三，该体型掺气效果有显著改善，在各主要工况，掺气坎下无积水，掺气空腔长度为40 m，泄洪洞底板虽有积水，但积水不影响掺气。

(5)方案五中1号掺气坎长度为7.5 m，高度减为1.5 m，掺气坎下无积水，空腔长度25 m，泄洪洞内流态基本稳定，掺气效果良好。该方案水深、压强、掺气浓度、洞顶余幅等水力学指标均满足规范要求，但因1号及2号掺气坎较高(1.5 m)，坎上水流跌落后，水面波动较大，偶尔出现溅水打顶现象。另外，1号掺气坎处的水流流速较大(最大为33 m/s)，Fr较小(校核工况Fr=4.0)，1号掺气坎后的侧墙可能出现空蚀问题。

(6) 方案六着重解决方案五存在的主要两个问题，首先解决既能很好解决掺气问题又不至于带来洞内水流经过掺气坎后的较大波动问题，故研究将1号掺气坎坎高降低为1.2 m，水平方向长保持7.5 m不变。同时，为了防止侧墙空蚀问题，坎两侧设收缩式侧掺气坎，侧掺气坎高0.15 m，水平方向长7.5 m，平面收缩坡度1∶50；2号掺气坎坎高降低为1.0 m，水平方向长20 m，无侧掺气坎。方案六掺气坎体型参数详见图1及图2，1号掺气坎附近流态照片见图3。

1号掺气坎(单位：cm) 2号掺气坎(单位：cm)

图1 1号及2号掺气坎纵剖面示意

图2 1号掺气坎侧墙平面示意(单位：m)

(7)综合上述试验成果，方案六在之前多方案试验成果的基础上，通过合理设置底、侧掺气坎体型既很好的解决了1号掺气坎由于Fr较小掺气较困难的问题，同时，也最大限度的降低了坎高，避免了水流经过掺气坎后形成不利波动的问题。试验结果表明，1号及2号掺气坎掺气顺畅，坎下均无积水，泄洪洞内流态稳定，无水流冲顶现象，该方案作为推荐方案，后续研究内容以方案六体型进行。

3 泄洪洞掺气水深及洞顶余幅研究

3.1 掺气水深试验及计算结果

在完成模型试验水深实测后选取《水工隧洞设计规范》推荐公式、王俊勇公式及按佛汝德数计算的经验公式对掺气水深进行了对比分析。对于猴子岩深孔泄洪洞模型试验实测水深而言，水流经过掺气坎后，水体已充分掺气，若按照模型实测水深为基准计算掺气水深，则得到的掺气水深偏大，故采用能量方程逐段推求泄槽水深，作为计算掺气水深的清水水深，并结合实测掺气坎水舌轨迹计算掺气水流水面线，进而算出掺气水流的洞顶余幅。采用上述三种方法计算校核洪水工况下(库水位1845.41)的掺气水深，计算成果详见表3。从表中可以看出，三种公式计算出的掺气水深及洞顶余幅差别较大，综合各方面因素，选取《水工隧洞设计规范》推荐公式计算结果进行后续计算分析。

图3 校核水位闸门全开工况1号掺气坎流态

桩号/m实测水深/m计算清水水深/m流速/m·s-1掺气水深/m《规范》公式王俊勇公式Fr公式备注389．68．18．130．711．69．28．6429．68．67．732．311．28．98．2449．69．157．632．812．310．09．3462．19．977．234．612．010．19．1474．69．777．135．111．89．68．91号掺气坎位置487．19．167．035．610．58．37．6524．67．576．737．210．28．17．4549．67．456．538．311．08．98．2562．27．706．438．911．08．98．3574．77．066．438．910．98．88．22号掺气坎位置612．47．56．240．19．77．77．06507．26．041．59．57．56．9662．47．15．942．29．47．46．8

3.2 洞顶余幅分析评价

根据试验与计算结果分析：1号掺气坎后因水面雍高，该处的实测水深(指水面到底板的垂直距离)最大，校核工况时为9.97 m；经计算，在校核工况，1号掺气坎后水面最高断面水舌厚度(理论清水厚度)h为7.2 m，则掺气后的水舌厚度ha=7.2×(1+1.4×34.6/100)=10.7 m，考虑水舌下缘约1.3 m的空腔高度，则水面到底板的距离为12.0 m，在不考虑底部掺气空腔时对应的面积洞顶余幅为20.5%，其余无压洞段洞顶余幅大于20.5%，满足《水工隧洞设计规范(DL/T 5195-2004)》的要求，泄洪洞断面尺寸合适。

4 流道压强分布规律

4.1 有压转弯段压强分布

本泄洪洞有压转弯段为平面转弯设计，深入研究试验对不同工况下转弯段两侧不同高程的时均压强进行了测量，分析由于平面转弯对于结构壁面压力的影响。在各试验工况下，有压转弯段的压强范围为(10.6 ～54.1)×9.81 kPa，闸门局开时压强大，全开时压强小；不同断面顶部与底部压差基本一致，约为13×9.81 kPa；由于有压转弯段左、右两侧因水流转弯离心力的作用，存在一定的压差，根据实测成果，两侧的最大压差约为7.9×9.81 kPa，出现在校核及设计水位闸门全开工况。转弯段后有压洞段～工作门前水流调整是否充分，将直接影响门前、门后隧洞的抗蚀性能。

4.2 无压洞段压强分布

试验实测了各工况下各部位的时均及脉动压强，从实测成果可以看出，水舌入水点附近时均及脉动压强相对较大，底板最大时均压强为13.6 m，最大脉动压强均方根为2.1 m。结合空腔长度测量结果，1号、2号掺气坎后的水舌落点范围分别为泄0+460 m～泄0+475 m及泄0+560 m～泄0+570 m。

5 泄洪洞补气设施研究

5.1 补气设施体型研究

可研阶段在工作闸室右侧布置一条4.5 m×6.0 m的圆拱直墙形补气洞，1号、2号掺气坎侧面通气井截面积均为1.6 m2。试验测得补气洞最大风速为72.2 m/s，1号掺气坎通气井最大风速为47.6 m/s。初步分析认为风速偏大，补气洞及通气井通气面积宜适当扩大。同时，由于水流通过掺气坎后为抛射运动，若掺气坎旁通气窗采用矩形断面形式，水舌在空中运动过程中轨迹会与断面出现重叠部分，影响补气效果，因此为适应水舌轨迹，提出采用梯形断面作为通气窗的设计形式，补气洞布置及掺气坎通风井设计简图见图4～6。

图4 补气洞平面简图(除标注外，其余单位：cm)

图5 1号掺气坎通气井纵剖面示意(单位：cm)

图6 2号掺气坎通气井纵剖面示意(单位：cm)

5.2 泄洪洞补气设施有效性评价

优化体型实测结果见表4，从表中可以看出，各补气设施最大风速为44.3m/s，补气洞断面设计合适。

表4 补气洞实测风速及通风量

6 结束语

本文通过对深入模型试验成果的整理，进一步分析研究了猴子岩深孔泄洪洞的水力特性，对掺气坎体型进行了优化设计，观测了各工况下泄洪洞水流流态及掺气空腔形态、实测了泄洪洞沿程水深、时均及脉动压强、掺气浓度、各通风设施的风速、风量等参数，并结合猴子岩泄洪洞具体的工程特点和水流条件，提出了适应水舌轨迹的梯形补气窗设计形式，解决了猴子岩泄洪洞掺气减蚀的工程设计问题。

2016-09-15

徐威(1977-)，男，辽宁鞍山人，高级工程师，从事水工设计及勘测设计管理工作。

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