基于水工模型试验的曼转河泄洪隧洞体型优化研究

(云南省红河州水利水电勘察设计研究院，云南蒙自661100)

1 工程概况

曼转河水库位于澜沧江水系威远江支流曼转河上中游河段，水库集水面积117.2 km2，多年平均年径流量10 217.7万m3，水库功能以农业灌溉为主兼顾下游防洪，总库容1 845.1万m3，设计灌溉面积1 866.76 hm2。

泄洪隧洞位于坝体左岸山梁，导流任务完成后通过新建进口龙抬头将隧洞改造为泄洪洞，进口底板高程1 144.0 m，洞身在里程0+078.326 m处与龙抬头段泄洪洞相交，隧洞全长262.274 m，其中有压段为直径3.6 m的圆洞，长72.274 m，其后接长13 m的竖井段，内设检修闸和工作闸并配置启闭机；竖井段后的无压段，长138 m，设计底坡i=1/50，圆拱直墙形断面，尺寸4.0 m×5.6 m，出口采用挑流鼻坎消能，鼻坎反弧半径25 m，挑射角20°，护坦段长5 m。泄洪隧洞校核洪水标准下控制最大下泄流量160 m3/s ，隧洞纵剖面见图1。

图1 泄洪隧洞纵剖面

2 模型制作与量测系统

2.1 模型制作

模型范围为隧洞进口上游300 m，出口下游330 m，模型河道根据工程区1∶500地形图制作，按设计的上下游最高水位加正常超高确定模型地形最大高程，采用断面板法制作，2个控制断面间距40 cm，局部地形变化较大处进行加密控制。河床地形采用埋模板断面制作，两断面间的部分参照河道地形图加工床面，石碴回填，砂浆抹面。隧洞采用有机玻璃制作，模型制作安装完成后，复查高程差为0.3%，几何误差满足规范要求，有机玻璃糙率采用0.010，符合原型泄水混凝土建筑物过流表面的糙率。

2.2 量测系统

水位由2个量水测针(最小读数精度为0.1 mm)控制，1号测针位于隧洞进口上游98 m处，控制上游水位；2号测针位于隧洞挑坎下游175 m处，控制下游水位。流量采用专业电子流量计控制。流速采用HD.4B型电脑流速仪测量。水深选用钢尺(最小读数精度为1 mm)测量。具体量测设备见表1。

表1 量测设备

2.3 测点布置

隧洞模型从进口到挑坎末端共布设37个测点进行沿程压力测量，测点布置见图2。

3 试验成果

3.1 泄流能力

不同工况下隧洞泄流能力对比见表2。结果表明：隧洞泄流能力满足要求。

3.2 进口及无压段流态

试验结果：上游水位1 160 m以下时，隧洞进口水面产生较强旋流，有压段出现明满流交替现象并伴有震动，竖井末端产生冲击波，无压段水面起伏不稳定。上游水位达1 160 m时，水位基本稳定在1 151.44 m，进口存在旋流并伴有响声，有压段负压明显，无压段产生冲击波。上游水位在1 160～1 172 m时，试验水位基本稳定，进口产生旋流，偶有吸气声响。上游水位1 172 m，试验水位在1 155.19～1 156.55 m变动，明满交替流现象已不明显。上游水位1 176 m及以上后，试验水位稳定，库面平静，隧洞进口顶部中间水面形成稳定漩涡，漩涡中心到进口形成稳定气柱并最终进入洞内。

图2 泄洪洞测压点布置

流量/(m3·s-1)设计水位/m 试验水位/m 145.01 148.001 150.70～1 156.3156.11 152.001 150.70～1 154.17166.61 156.00 1 151.44～1 153.89176.41 160.001 151.44185.61 164.001 151.69194.51 168.001 153.75202.91 172.001 155.19～1 156.55211.11 176.001 158.54216.11 179.571 161.14219.71 180.421 161.47

1 160 m以下水位，同一流量下的试验水位普遍较设计水位高且伴有明满交替流现象。1 160 m水位以上，同一流量下的试验水位比设计水位低，且随流量增大试验水位与设计水位偏差越大，同一水位下的泄流能力远大于设计值。上游水位1 179.57 m时的进口流态见图3。

图3 水位1 179.57 m时的上游进口流态

3.3 沿程压力及水流空化数

不同流量下洞内水流空化数见表3。试验结果表明：洞身负压段主要位于隧洞进口转弯段(里程0+038.88～0+050.33 m)和有压渐变压坡段末端闸井处，水流空化数较低，易产生空蚀破坏。且低水位1 161 m以下时，洞身存在明满交替流现象且振动较大，对隧洞安全稳定不利。

4 隧洞体型优化

对试验结果的研究分析表明，隧洞进口及有压渐变压坡段体型设计不合理是导致隧洞进口水流流态差和有压段易发生空蚀的主要原因。

表3 不同流量下的水位压力及水流空化数

4.1 优化措施

4.1.1进口

进口段底板高程降低2 m，以形成宽顶堰，增大进口压力。同时进口顶部加设长1.5 m的盖板，防止漩涡形成。优化成果见图4。

图4 进口段优化示意

4.1.2有压渐变压坡段

渐变压坡段尾端断面高由3 m减至2.8 m，收缩率变至82.6%。同时将渐变段长度延长到10 m，使渐变段长与进口断面直径比L/D=2.78。优化结果见图5。

图5 渐变压坡段优化示意

4.2 优化成果

4.2.1进口及有压段流态

优化后,上游1 156 m以下水位，进口处仍存在漩涡且有压段还存在明满交替流现象，14号测点(里程0+072.32)仍存在脉动压强和负压，但随库水上升负压有所减小，仅13号测点(里程0+077.62和14号测点(里程0+072.32)间存在气泡；水位达1 156 m后，进口流态较稳定，有压段流态明显改善；水位达1 158 m后，进口漩涡明显减小，有压段为满流且流态稳定，随库水位升高，进口及有压段流态更趋稳定。

4.2.2沿程压力

优化后，洞身沿程压力分布见图6。成果表明：1 161 m水位以下，仅在有压转弯段的3、4、14、15号测点存在负压。水位升至1 168.59 m时，仅有压渐变压坡段前的转弯段洞顶14号测点处于负压状态。水位升至1 173.35 m时，14号测点负压减小至-1.83 m，洞身沿程压力变化趋势为随库水位升高，有压段沿程压力逐渐升高，至水位1 176 m时，14号测点已变为正压，1 176 m及以上水位，隧洞洞身均处于正压状态。

图6 洞身沿程压力分布

4.2.3水流空化数

优化后,有压段水流空化数分布见图7。优化前，隧洞进口有压转弯段洞顶上部水流空化数仅达-0.33～0.11，渐变压坡段末端闸槽处水流空化数仅达0.07～0.23，水流空化数均低于0.3，极易产生空蚀破坏。优化后，洞身水流空化数提升明显，1 176 m水位及以上，洞身各点水流空化数达0.38～3.91，最小值0.38，各点水流空化数均大于临界空化数0.3，产生空蚀破坏的可能性极小。

图7 有压段水流空化数分布

4.2.4设计水位和校核水位工况下的沿程压力

优化后，设计和校核水位工况下，用闸门控制允许最大下泄流量160 m3/s时的隧洞沿程压力分布见图8。

结果表明，优化后，用闸门控制最大下泄流量时，洞身沿程各点压力均为正压，各点压力较优化前明显增大，有压段沿程压力为28.04～49.24 m，设计洪水位时洞身有压渐变收缩段起点处11号测点最大压力达49.24 m，校核洪水位时洞身有压第二转弯段末端处10号测点最大压力达49.13 m。弧形闸前沿程压力介于28.04～49.24 m之间。

图8 设计和校核水位下沿程压力分布

5 结语

曼转河泄洪隧洞体型优化研究，可得出以下结论。

a) 隧洞泄流能力满足设计要求。

b) 上游1 156 m以下水位，隧洞进口处仍存在漩涡，有压段还有明满交替流现象；水位达1 156 m后，进口流态较稳定，有压段流态明显改善；水位达1 158 m后，进口漩涡明显减小，有压段为满流且流态稳定，随库水位升高，进口及有压段流态更趋稳定。应尽量避免隧洞在1158m以下水位运行。

c) 洞身沿程压力随库水位升高而逐渐升高，水位达1 176 m及以上后，洞身均处于正压状态。

d) 优化后洞身水流空化数提升明显，1 176 m水位及以上，洞身各点水流空化数达0.38～3.91，最小值0.38，各点水流空化数均大于临界空化数0.3，产生空蚀破坏的可能性极小。

e) 优化后用闸门控制最大下泄流量时，洞身沿程各点压力均为正压，较优化前明显增大，有压段沿程压力达28.04～49.24 m，设计洪水位时洞身有压段最大压力达49.24 m，校核洪水位时有压段最大压力达49.13 m。弧形闸前沿程压力达28.04～49.24 m。

f) 隧洞体型优化成果表明，优化后隧洞进口水流流态和有压段空蚀情况均得到极大程度改善，优化效果明显。