新疆策勒县奴尔水利枢纽工程表孔溢洪洞弯道急流控制方案研究

孔晓阳

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

新疆策勒县奴尔水利枢纽工程表孔溢洪洞弯道急流控制方案研究

孔晓阳

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

通过对新疆策勒县奴尔水利枢纽工程表孔溢洪洞弯道急流冲击波控制方案的拟定和实验验证对比，总结出在弯道半径一定、转角一定的情况下，加宽过流断面并在中部加设导流板将泄槽一分为二，让水流各行其道，横向不混掺的方法，能够将急流冲击波控制在设计允许范围内。关键词：奴尔水利枢纽;溢洪洞;弯道急流冲击波;实验;导流板

1 工程概述

奴尔水利枢纽工程位于奴尔河中下游河段，位于新疆维吾尔自治区和田地区策勒县境内，工程至策勒县城126 km，至和田市226 km。该工程是奴尔河上的控制性工程，是一座承担灌溉、发电综合利用任务的枢纽工程。水库总库容为0.69亿m3，正常蓄水位为2 497.00 m，死水位2 465.00 m，电站总装机容量为6.2 MW，多年平均年发电量为0.217亿kWh。工程由拦河坝、导流兼泄洪冲砂洞、表孔溢洪洞、发电引水系统及电站厂房等组成。大坝为碾压式沥青混凝土心墙坝，最大坝高80 m。工程地震设防烈度为Ⅷ度。

表孔溢洪洞布置于左坝肩导流兼泄洪冲砂洞的左侧，由进口引渠段、控制段、上平洞段、渥奇曲线段、斜井段、反弧段、下平洞段、陡坡扩散段、消力池段及退水渠段组成。设计泄量89.56 m3/s，校核泄量147.65 m3/s，采用无压泄流的形式，洞身单宽最大泄量38.86 m3/s。因受地形、整体枢纽布置限制，表孔溢洪洞必须设置弯道，将弯道设置在控制段后，渥奇曲线段前的上平洞。

2 弯道急流冲击波

在无压急流弯道中，由于凹岸边壁向水流方向偏转，水流的离心力和惯性作用便对边墙产生冲击力，边墙对水流施加反作用力，迫使水流沿边墙转向，水流产生动量变化，造成水面局部壅高。相反在凸岸，边墙向水流外部偏转，由于水流受边墙的依托，水流扩散，产生水面跌落。水流在弯道中运行时，受惯性力影响产生水面横比降与弯道环流，水流动力轴线和纵向流速分布都产生不同程度的变化，平面上形成菱形的波。水面横比降的形成造成了弯道凹凸岸水面纵比降及整个弯道水面形态的变化，从而导致了弯道水流结构的调整和流速的重新分布。

图1 方案1平面纵断面横断面图 单位：高程，m；其它,mm

图2 方案2平面横断面图 单位：高程，m；其它,mm

图3 方案3平面横断面图 单位：高程，m；其它,mm

3 表孔溢洪洞弯道方案拟定

根据水利学理论分析和以往工程经验，消除或减缓弯道急流冲击波的控制措施主要有以下几种：加大转弯半径、渠底横向超高法、导流板法、复合曲线法和斜槛法等。因受地形、整体枢纽布置限制，表孔溢洪洞的轴线已经不能调整，所以主要集中在导流板法和增加溢洪洞宽度的方法[2-4]。

3.1 方案1

3.2 方案2

在方案1的基础上，在弯道泄槽中部加设导流板(中隔墙)，中隔墙厚0.5m，将泄槽一分为二，每个泄槽流道净宽2.0m，让水流各行其道，横向不混掺，见图2。

3.3 方案3

在方案1基础上，将水平转弯段隧洞泄槽断面加宽加高，底宽6.0m，竖直墙高5.8m，槽中不设导流板，弯道仍为单一流道。同时，将其上游渐变段移至上平段下游，渐变段长仍保持20m，泄槽宽度由6.0m缩至4.5m，竖直墙高由5.8m降至4.2m。

表孔自进口以下依次为控制段、过渡段、水平转弯段、上平洞段、渐变段和渥奇曲线段等，上平洞段及以上隧洞断面泄槽宽度均为6.0m。

3.4 方案4

将水平转弯段隧洞泄槽断面加宽加高，底宽由4.2m加至6.0m，竖直墙高由4.2m加至5.8m。槽中设导流板，将弯道段泄槽均分为2个流道，导流板厚0.5m，单流道净宽均为2.75m，两股水流相对独立不混掺。同时，将其上游渐变段移至上平段下游，渐变段长仍保持长20m，泄槽宽度由6.0m渐变至4.5m，直墙高度由5.8m降至4.2m。

图4 方案4平面横断面图 单位：高程，m；其它，mm

4 各方案的实验验证

对上述拟定的4个方案，采用水工正态模型进行试验研究，选择出最优的方案[5-7]。试验研究遵循重力相似准则，并按几何相似进行模型设计。模型几何比尺Lr=40；时间比尺Tr=Lr1/2=6.325；速度比尺Vr=Lr1/2=6.325；流量比尺Qr=Lr5/2=10 119；糙率比尺nr=Lr1/6=1.849。模型实验验证的流量在校核洪水位时为151.61 m3/s，设计洪水位时为98.48 m3/s。

4.1 方案1

各特征工况弯道冲击波规律较为一致，弯道外侧(凹岸)水面总体处于较高状态。随着下泄流量越大，弯道两侧水深同步增大，水面波动越明显，凹岸水面壅高较为明显，局部超出直墙范围，但最大横向水面差基本不变。大流量是隧洞横断面设计的控制工况，如表孔溢洪洞2 000年一遇校核洪水运行时，实测弯道左侧水深4.56 m，超出直墙高度0.36 m，右侧水深2.36 m，最大横向水面差2Δh=2.2 m，横比降为0.49，超高系数0.75～0.99。弯道冲击波在其下游上平洞段引起菱形扰动波，但沿流程总体呈衰减的趋势，至0+124.30 m，冲击波引起的水面差已不明显。弯道内最大、最小水深基本出现0+053.30 m处，而上平洞段最大、最小水深几乎不出现在同一断面，波峰波谷交替出现,详见表1。

4.2 方案2

加设导流板后，将弯道一分为二，单个流道净宽2.0 m，泄槽宽度由原先的4.5 m减为2×2.0=4.0 m。试验发现，加设导流板后，弯道段两侧水深同步加深，水面线壅高较为明显，但冲击波引起的横向水面差显著降低，由方案1的2.2 m降为1.0 m，水面横比降基本无变化。2 000年一遇校核洪水运行时，弯道段水面基本均超出直墙高度，最大水深5.24 m，较方案1的4.56 m高出0.68 m，不能满足有关规范要求。应该指出的是，方案2弯道下游上平洞段泄槽冲击波较方案1小，至上平洞末端水流已接近平顺,详见表2。

表1 方案1弯道段和上下游急流冲击波水面线表

表3 方案3弯道段和上下游急流冲击波水面线表

4.3 方案3

方案3将弯道段泄槽由4.5 m加宽至6.0 m，弯道急流水面波动较为剧烈，弯道中部内侧水深较浅，最小水深仅有0.9 m，断面最大横向水面差达3.5 m，横比降为0.58。但弯道外侧冲击波波峰壅高值(最大水深)4.4 m，较方案1的4.6 m略有降低。

将渐变段移至上平段下游，由于距离弯道出口较近，且侧壁收缩又产生冲击波，渐变段末端水面有所壅高，实测最大水深4.0 m,详见表3。

表2 方案2弯道段和上下游急流冲击波水面线表

表4 方案4弯道段和上下游急流冲击波水面线表

4.4 方案4

方案4将弯道段泄槽由4.5 m加宽至6.0 m，槽中加设导流板，泄槽一分为二。在水平转弯段，由于泄槽加宽，并加设导流板，有效地控制并消减了冲击波特性，2 000年一遇校核洪水冲击波波峰最大水深为3.6 m，较方案1的4.6 m和方案3的4.4 m均有所降低。弯道段急流水面波动有所减小，最大横向水面差为2.0 m，横比降为0.73。弯道段水流均未超出隧洞直墙高度，且留有较大富余，满足隧洞横断面设计要求，详见表4。

隧洞扩宽并加设导流板后，水流出弯道后更为平顺，冲击波衰减较快，水面波动较小，所以选择方案4作为奴尔水利枢纽工程表孔溢洪洞急流弯道的设计方案。

5 结 语

水利工程中的渠道、溢洪道、溢洪洞往往受地形、工程结构、整体枢纽布置等因素的限制，在平面上难免要布置弯道。由于弯道水流受离心力和冲击波的共同作用，从而使弯道段的水流流态变得非常复杂。新疆策勒县奴尔水利枢纽工程表孔溢洪洞弯道急流冲击波控制方案的研究，说明在弯道半径一定、转角一定的情况下，加宽过流断面并在中部加设导流板将泄槽一分为二，让水流各行其道，横向不混掺的方法能够将急流冲击波控制在设计允许的范围内。这种方法对其他工程弯道的设计具有很大的参考价值。

[1] 中华人民共和国水利部.溢洪道设计规范:SL253-2000[S].北京：中国水利水电出版社，2000.

[2] 长江水利委员会长江科学院.新疆奴尔水利枢纽泄水建筑物1:40水工模型试验研究报告[R].武汉：2015.

[3] 吴宇峰,伍超,李静,叶茂,王波.较小半径溢洪弯道急流超高的研究[J].四川大学学报(工程科学版),2006(06)：38-42.

[4] 张玉萍.弯道水力学研究现状分析[J].武汉水利电力大学学报,2000(05):35-39.

[5] 张领护.溢洪道弯道急流冲击波消减技术措施研究[D].陕西杨凌：西北农林科技大学,2004.

[6] 田嘉宁.中等半径大偏转角弯道的水流特性[J].西安理工大学学报,2002(01):28-32.

[7] 张银华.弯道急流的改善措施研究[D].郑州：郑州大学,2009.

Study on Scheme for Torrent Control at Curve Chute of Spillway Tunnel in Surface Outlet, Nuer Project

KONG Xiaoyang

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

Through the proposal of the control scheme and the comparison and verification experiments on the torrent shock wave at curve chute of the spillway tunnel in the surface outlet of Nuer project, it summarizes that, under the conditions of the given curve radius and turning angle, the torrent shock wave can be controlled within the designed allowable scope by application of widening the flowing section and installing deflector in the middle of the chute to split the chute into two so as to have the flow discharge separately and avoid the transverse mixing together. Key words: Nuer project; spillway tunnel; torrent shock wave at curve chute; experiment; deflector

1006—2610(2016)06—0031—05

2016-07-29

孔晓阳(1983- )，男，新疆乌鲁木齐市人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作.

TV135

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.008