新疆某工程表孔溢洪洞水工模型试验研究

葛彩莲

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

新疆某工程表孔溢洪洞水工模型试验研究

葛彩莲

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

通过建立表孔溢洪洞减压模型试验，在不同水位泄流条件下，对泄洪洞的进口段、竖井段的水流流态、动水压力、水流空化数进行观测分析，试验结果显示：进口为稳定的溢流堰自由泄流，进口及竖井水流流态较好，溢流堰跌坎及竖井环形掺气坎后均能形成稳定的掺气空腔；溢流堰面、竖井内的压力分布合理；水流空化数均满足规范要求，不会发生空化水流。

水流流态；动水压力；减压模型；水流空化数

新疆某水库工程设计水位2509.13m，校核水位2510.77m，是一项以灌溉、防洪为主，兼顾发电的综合性水利工程。该枢纽工程由拦河坝、表孔溢洪洞、底孔泄洪等建筑物组成，表孔溢洪洞试验模型采用竖井水平旋流的消能形式，堰宽10m，最大泄流量达650m3/s，上下游落差最大达130m以上，其中竖井高度接近100m。目前水平旋流消能技术在国内外水电工程中的应用较少，对高水头、大流量水平旋流洞的水力学问题特别是空化方面的研究甚少［1-3］。该工程表孔水平旋流溢洪洞由溢流曲线进口、竖井、起旋室等多个部位衔接组成，其结构体型及过流边界较为复杂，水流空化问题突出，本文需要通过减压模型试验，对表孔溢流洞的曲线进口、竖井段关键部位的空化特性进行分析，论证进口、竖井段的抗空化特性，以减免表孔溢流洞在高水头、大流量泄流条件下发生空化空蚀的可能性，为表孔溢流洞的安全运行提供依据。

1 试验设计

1.1 试验内容及工况

表孔溢洪洞减压模型试验以常压试验的推荐体型为基础，对竖井进流水平旋流洞关键部位的空化特性进行研究，对比观测常压状态和减压状态洞内的水流流态和压力分布，监测不同运行条件下溢流进口段、竖井段部位的水流空化噪声，分析其水流空化特性，根据试验结果提出结论或修改建议［4-5］。

其主要试验内容：

（1）减压状态下，观测不同泄流条件下溢流进口段、竖井段的水流流态，观察掺气设施水流形态和稳定性。

（2）减压状态下，测量表孔溢洪洞在不同泄流条件下的动水压力，分析溢流进口段、竖井段的压力分布特性。

（3）根据实测压力资料，计算溢洪进口段、竖井段在不同水位泄流条件下的水流空化数，初步分析水流的空化特性。

水库特征水位及表孔溢洪洞相应流量如表1。

表1 水库特征水位及表孔溢洪洞相应流量

1.2 模型设计和测点布置

减压模型试验的重点在于研究溢洪洞进口和竖井段的水流空化特征。溢洪洞减压水工模型按照重力相似准则设计，同时考虑模型水流空化数与原型水流空化数相同的相似条件［6］，减压模型设计中相关物理量的比尺如表2。为了便于观察水流流态，模型全部采用透明有机玻璃精细加工制作。

表2 模型的主要尺寸关系

表孔溢洪洞减压模型在进口溢流控制段、竖井布置了14个动水压力测点。其中沿进口溢流曲线底板中心线布置了7个压力测点（编号1#～7#）；在竖井段洞壁共布置7个压力测点（编号8#～14#），各个测压点具体布置如图1。

图1 进口段、竖井段压力测点布置

2 模型试验成果

2.1 水流流态

2.1.1 溢流进口段

在减压状态下，设计水位2509．13m，校核水位2510．77m，洪水位2506．70m和洪水位2508．34m，4种运行工况下闸门全开。

根据试验观测：水库来流经引渠导流进入溢流堰前，引渠段水流行进过程均较平稳，进口水流在溢流曲线堰段呈自由流形态，泄流能力由溢流进口控制，溢流堰段水面沿程降低，溢流堰跌坎后底部水流在下游竖井洞壁内侧形成长而稳定的掺气空腔，水流通气顺畅，并向跌入竖井的水体大量掺气；跌坎后表面水体自由下泄并汇入竖井连接段外侧，在交汇处呈较稳定的表面旋滚状态，水体波动幅度较小，溢流进口水流流态与常压状态基本相同。

2.1.2 竖井段

（1）在竖井上部设置了坎宽0．36m，挑坎坡度1∶5的环形掺气坎，不同泄流工况下，环形掺气坎后均形成四周全面掺气的下泄射流，且溢流堰跌坎后底部水流直接越过环形掺气坎，在竖井内侧形成上下贯通的掺气空腔。

（2）在环形掺气坎作用下，竖井外侧水流先收缩后逐步扩散下泄，坎后通气顺畅，四周掺气空腔均较长（如表3），校核水位2510．77m下，内、外侧空腔长度分别为22．4m和18．5m；洪水位2508．34m时，内、外侧空腔长度分别增大至34．5m和29．8m，竖井内、外侧空腔长度随泄流流量的降低有增大的趋势，竖井内水流整体掺气充分。

表3 竖井环形掺气坎后的空腔长度 单位：m

（3）与比尺1∶30常压模型试验相比较，减压状态下竖井及环形掺气坎后水流形态大体相近，但减压状态下环形掺气坎后空腔更长。

（4）减压模型试验不仅考虑重力相似，且通过改变环境压力做到模型和原型的水流空化数相似，减压状态下环形掺气坎后的水舌轨迹应该更接近原型，掺气空腔的型态也可能更为相似。

2.2 动水压力

进口溢流堰面及竖井段在洪水水位2506．70m的运行条件下，进口溢流堰堰面均为正压；在设计水位2509．13m时，泄流时堰面个别测点出现较小的负压，实测最小压力为-3．0kPa（5#测点）；在校核水位2510．77m时，泄流条件下实测堰面最小压力为-8．9kPa（4#测点），负压绝对值小于10kPa。

溢流堰与竖井连接段内侧处于掺气空腔内，实测坎后洞壁压力为较小的通气负压；连接段外侧处于溢流水舌与竖井交汇区，动水压强随泄流水位和流量的升高而增大，校核水位下实测10#测点的动水压强为47.7kPa。

不同工况水位下，竖井洞壁上部区域均处于环形掺气坎后的掺气空腔内，实测压力均较小，部分测点为通气负压；环形掺气坎后水流在竖井下部逐渐与洞壁交汇，洞壁压力突然增大，设计水位下实测竖井末端洞壁最大压力86.4kPa（11#测点）。如表4。

表4 溢流进口段、竖井段沿程动水压力 单位：kPa

2.3 水流空化数

水流空化数是反映水流空化特性的重要指标，在不考虑脉动压力影响的条件下，水流空化数用式（1）表示：

式中 ha为工程所在地的大气压力（kPa），ha=7.54m；h为泄洪建筑物表面的时均压力 （kPa）；hv为汽化压力（kPa），按照水温20℃时的汽化压力计，hv=0.24m；v为过流断面的平均流速。

根据模型试验沿程实测动水压力资料，按式（1）计算整理得到溢流进口段、竖井段典型部位的水流空化指数如表5。

表5 水流空化指数

续表5

由表5可知，溢流进口段在洪水位2506.70m、设计水位2509.13m和校核水位2510.77m泄流工况下，平均流速8.5～10.0m/s，最小水流空化数分别为2.24，1.40，1.06，溢流堰段堰面没有出现较大负压，计算得到的水流空化数均大于1.0。

竖井段在洪水位2506.70m、设计水位2509.13m和校核水位2510.77m泄流工况下，最小水流空化数分别为3.94，1.33，0.96，根据SL253—2000《溢洪道设计规范》，减压模型水流空化数均满足堰面局部边坡发生空化指数的要求。

3 结语

（1）减压状态下，闸门全开时，不同水位下，溢洪洞进口为稳定的溢流堰自由泄流，进口及竖井水流流态较好，溢流堰跌坎及竖井环形掺气坎后均能形成稳定的掺气空腔，竖井环形掺气坎后四周空腔较长，设计工况下空腔长度达25.6m，且减压状态下坎后的空腔比常压情况下更长，竖井水流掺气充分。

（2）减压状态下闸门全开，不同特征泄流工况下，溢流堰面、竖井内的压力分布合理。设计水位2209.13m及校核水位2510.77m时，溢流堰面局部负压低于10kPa。

（3）溢流进口段、竖井段在不同水位下，根据模型试验测量的数据计算得到的水流空化数均满足规范要求，不会发生空化水流。

［1］DL/T5166—2002，溢洪道设计规范［S］.

［2］安盛勋，王君利.水平旋流消能泄洪洞设计与研究［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［3］中国水利水电科学研究院.黄河公伯峡水电站导流洞改建竖井——水平旋流洞综合试验研究［R］.2003.

［4］中国水利水电科学研究院.黄河公伯峡水电站竖井水平旋流泄洪洞水力学与结构原型观测试验分析报告［R］.2006.

［5］巨江，卫勇.公伯峡水电站水平旋流泄洪洞试验研究［J］.水力发电学报，2004，23（5）：88-91.

［6］牛争鸣.水平旋流泄洪洞的基本流态与影响因素［J］.水利水电科技进展，2007，27（4）.

（责任编辑：尹健婷）

Study of a hydraulic model of the overflow surface spillway tunnel for one project in Xinjiang

GE Cai-lian
（XinJiang Investigation and Design Institute for Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

By establishing pressure relief model test of the overflow surface spillway tunnel，under the condition of，we made a observation and analysis to water flow regime and hydrodynamic water pressure and flow cavitation number of the entrance region and the shaft section of the tunnel spillway in the different water discharge.The results show that：the import was stabilized free overflow for overflow weir，the water flow regime was well at the import and the vertical shaft，the falling-sill of overflow weir and vertical shaft formed a stabilized aerated cavity after emplacing circular aeration；The distribution of the pressure is reasonable at the surface of overflow weir and in the vertical；The flow cavitation coefficient can satisfy the requirements of specification，and the phenomenon of cavitation flow will not happening.

water flow regime；dynamic water pressure；pressure relief model；flow cavitation number

TV135.2

：B

：1672-9900（2017）02-0062-03

2017-01-16

葛彩莲（1985-），女（汉族），河北衡水人，工程师，主要从事水利设计工作，（Tel）15026005682。