石頭河水庫總干渠波浪原因分析及消減措施

【摘要】石頭河水庫總干渠是輸水洞出庫水流唯一的分流主干渠道，其作用十分重要無可替代。總干渠在灌概支洞弧門開啟補水時，總干分水閘會產(chǎn)生較大波浪，浪高同弧門補水大小成正比關(guān)系。本文就此波浪給予分析，并提出消減措施。

【關(guān)鍵詞】波浪；分析；消減

石頭河水庫因攔蓄石頭河水而的名。水庫攔河壩壩壩高114米，總庫容1.47億立方米，年調(diào)節(jié)水量2.7億立方米，是一座具有灌溉、發(fā)電、城鎮(zhèn)供水、防汛等功能的大型水利工程。水庫樞紐包括攔河壩、溢洪道、輸水洞、泄洪洞、總干渠等工程設施。

一、總干渠概況

石頭河水庫水庫總干渠緊連水庫輸水洞，主要擔負城鎮(zhèn)供水、農(nóng)田灌溉、發(fā)電尾水的輸水、分流任務。汛期承擔小流量泄洪的任務。總干渠是輸水洞出庫水流唯一的分流主干渠道，其作用十分重要無可替代。

1. 工程基本情況

總干渠在大壩下游右岸，由總干隧洞、總干退水閘、總干分水閘三部分組成。隧洞出口緊接東干渠，斜峪關(guān)電站（原規(guī)劃的西干渠）、總干退水閘（原規(guī)劃的人民渠）三個出口。

總干渠設計流量70m3/s，加大流量77m3/s，總干隧洞基本斷面為直墻坦拱型，凈寬6.4m，凈高7.2m，比降1/1000，隧洞進口底部高程707.71m出口底部高程706.96m，總長753.9m

2. 工程布置

石頭河水庫輸水洞末端，分灌溉支洞和發(fā)電支洞。灌溉支洞出流，與發(fā)電尾水匯合，至“支0+151”為總干渠遂洞0+000，進洞后，為了通過小將軍石溝并使洞頂有較大巖層厚度，洞線向右轉(zhuǎn)彎。至0+361.8將軍石溝，利用將軍石溝溝道地形設置一退水閘，過溝后再進洞，至0+753.9出洞。洞后設分水閘。

3. 工程地質(zhì)情況

總干渠（隧洞）在水庫輸水洞下游，沿線屬秦嶺北簏中，被小將軍石溝和將軍石溝兩溝道切割。隧洞圍巖為灰色，深灰色云母石英片巖及綠泥石云母石英片巖，巖性堅硬，片理發(fā)育，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。在小將軍石溝總干（樁號0+161.5），有一與隧洞接近正交的近直立斷層，寬約1米。

二、總干渠波浪的產(chǎn)生。

總干渠在灌溉支洞弧門開啟補水時，就會產(chǎn)生波浪。在分水閘前池多次觀測發(fā)現(xiàn)，灌溉支洞弧門補水55m3/s時浪高1m、補水在45m3/s時，波浪浪高90cm、補水在37m3/s時，波浪浪高75cm、補水15m3/s時浪高54cm、補水5m3/s時浪高20cm、浪高同弧門補水大小成正比關(guān)系。波浪拍擊閘門發(fā)出較大聲響，波浪能向下游繼續(xù)傳播。

三、波浪分析

總干渠在灌溉支洞弧門開啟補水時，水流最大流速達34m/s，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)灌溉支洞水流，有騰空而起的帶霧狀水滴，呈現(xiàn)白色水體混合流動的摻氣水流。灌溉支洞高速水流出消力池時，主要在水流的中底部，雖經(jīng)消力池消力，但未充分消能。高速水流間歇地向水面躥升，使水面產(chǎn)生較大波浪，并向下游傳播。

總干渠在灌溉支洞弧門開啟補水經(jīng)消力池消能后，弧門補水水流速度，仍遠大于渠道水流行進速度（總干渠水流行進速度為1m/s左右），兩股水流相互撞擊，因而產(chǎn)生波浪。波浪同補水大小成正比關(guān)系。

在總干渠在施工過程中為了躲避小將軍石溝（總干樁號0+161.5）的直立斷層，在樁號0+008.46～0+044.81和0+085.46～0+130.29設計了向右、向左共兩個轉(zhuǎn)彎。灌溉支洞弧門開啟補水時，弧門補水急流在這兩個彎道連續(xù)受到擾動。水流與邊界相互作用表現(xiàn)的十分明顯。急流遇到邊墻轉(zhuǎn)角阻礙便會對邊墻起沖擊作用，反之，邊墻也對水流施加反作用力，迫使水流沿邊墻轉(zhuǎn)向。這樣便會造成邊墻附近水面壅高，這種水流的擾動會以波的形式在總干渠中傳播。由于水流正以大于波速的速度向前運動，因此距邊界距離愈遠，擾動到達的位置愈靠近下游。總干渠的工程設置條件，又不斷的增強和加大波浪動能，使得總干渠波浪不斷向下游傳播。

四、總干渠波浪的危害

總干渠產(chǎn)生波浪后會嚴重影響干渠水流流態(tài)，嚴重影響水位觀察的準確性，影響配水人員調(diào)配水量。波浪不停拍打總干渠各個閘門，嚴重減少閘門的使用壽命。總干渠上六扇閘門都未設檢修閘門，一旦閘門出現(xiàn)問題，整個總干渠將要停水進行檢修，會造成很大的經(jīng)濟損失。

斜峪關(guān)電站壓力管道為預應力鋼筋混領土管道，管徑1.2米，長153米，分三排布設。總干渠波浪長期存在，會導致壓力管道水錘現(xiàn)象增高，減少壓力管道使用壽命、進而使發(fā)電機組氣蝕現(xiàn)象加重、機組振動增大、減少機組使用壽命，嚴重影響正常發(fā)電。

五、總干渠波浪的消減措施

由于總干渠受地質(zhì)條件限制，無法修建底部消能設施，所以消減總干渠波浪的最好辦法是，盡可能使水流不產(chǎn)生或少產(chǎn)生波浪。總干渠連續(xù)設有兩個R=40m的彎道。我認為應在第一個彎道前（在不雍高水位，保持水流通暢的前提下）采取工程措施分散急流。加大水流的擾動，以達到消減總干渠波浪的作用。

具體做法是：在總干隧洞設置防波柵。

防波柵位置：在洞口0+010處，沿垂直于總干隧洞軸線方向設置一道防波柵（防波柵和水流方向垂直相交）。

防波柵作用：消能和分散水流。將消力池沒有充分消能的下泄急流，利用防波柵（類似“篩子”原理）分隔成多股小水流。加大水流的擾動，從而達到消減總干渠波浪的目的。

防波柵的結(jié)構(gòu)：防波柵為寬×高=7.5×6.0m網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格間距0.3×0.3米。防波柵由槽鋼焊接而成，四周固定在總干渠隧道四壁。

防波柵效果：防波柵的效果已經(jīng)在石頭河其它干渠渠道中通過模型試驗進行了檢驗，效果比較理想。石頭河水庫已運行二十多年，現(xiàn)在只有，制作防波柵實地安裝，加以改進才能使防波柵具有較好的防波效果。

參考文獻：

[1]石頭河水庫工程驗收文件 1990.4.

[2]水利學 高等教育出版社 2003年

[3]石頭河水庫志 中國水利電力出版社 2005年