新疆某工程表孔溢洪洞水工模型試驗研究

葛彩蓮

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

新疆某工程表孔溢洪洞水工模型試驗研究

葛彩蓮

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

通過建立表孔溢洪洞減壓模型試驗，在不同水位泄流條件下，對泄洪洞的進口段、豎井段的水流流態、動水壓力、水流空化數進行觀測分析，試驗結果顯示：進口為穩定的溢流堰自由泄流，進口及豎井水流流態較好，溢流堰跌坎及豎井環形摻氣坎后均能形成穩定的摻氣空腔；溢流堰面、豎井內的壓力分布合理；水流空化數均滿足規范要求，不會發生空化水流。

水流流態；動水壓力；減壓模型；水流空化數

新疆某水庫工程設計水位2509.13m，校核水位2510.77m，是一項以灌溉、防洪為主，兼顧發電的綜合性水利工程。該樞紐工程由攔河壩、表孔溢洪洞、底孔泄洪等建筑物組成，表孔溢洪洞試驗模型采用豎井水平旋流的消能形式，堰寬10m，最大泄流量達650m3/s，上下游落差最大達130m以上，其中豎井高度接近100m。目前水平旋流消能技術在國內外水電工程中的應用較少，對高水頭、大流量水平旋流洞的水力學問題特別是空化方面的研究甚少［1-3］。該工程表孔水平旋流溢洪洞由溢流曲線進口、豎井、起旋室等多個部位銜接組成，其結構體型及過流邊界較為復雜，水流空化問題突出，本文需要通過減壓模型試驗，對表孔溢流洞的曲線進口、豎井段關鍵部位的空化特性進行分析，論證進口、豎井段的抗空化特性，以減免表孔溢流洞在高水頭、大流量泄流條件下發生空化空蝕的可能性，為表孔溢流洞的安全運行提供依據。

1 試驗設計

1.1 試驗內容及工況

表孔溢洪洞減壓模型試驗以常壓試驗的推薦體型為基礎，對豎井進流水平旋流洞關鍵部位的空化特性進行研究，對比觀測常壓狀態和減壓狀態洞內的水流流態和壓力分布，監測不同運行條件下溢流進口段、豎井段部位的水流空化噪聲，分析其水流空化特性，根據試驗結果提出結論或修改建議［4-5］。

其主要試驗內容：

（1）減壓狀態下，觀測不同泄流條件下溢流進口段、豎井段的水流流態，觀察摻氣設施水流形態和穩定性。

（2）減壓狀態下，測量表孔溢洪洞在不同泄流條件下的動水壓力，分析溢流進口段、豎井段的壓力分布特性。

（3）根據實測壓力資料，計算溢洪進口段、豎井段在不同水位泄流條件下的水流空化數，初步分析水流的空化特性。

水庫特征水位及表孔溢洪洞相應流量如表1。

表1 水庫特征水位及表孔溢洪洞相應流量

1.2 模型設計和測點布置

減壓模型試驗的重點在于研究溢洪洞進口和豎井段的水流空化特征。溢洪洞減壓水工模型按照重力相似準則設計，同時考慮模型水流空化數與原型水流空化數相同的相似條件［6］，減壓模型設計中相關物理量的比尺如表2。為了便于觀察水流流態，模型全部采用透明有機玻璃精細加工制作。

表2 模型的主要尺寸關系

表孔溢洪洞減壓模型在進口溢流控制段、豎井布置了14個動水壓力測點。其中沿進口溢流曲線底板中心線布置了7個壓力測點（編號1#～7#）；在豎井段洞壁共布置7個壓力測點（編號8#～14#），各個測壓點具體布置如圖1。

圖1 進口段、豎井段壓力測點布置

2 模型試驗成果

2.1 水流流態

2.1.1 溢流進口段

在減壓狀態下，設計水位2509．13m，校核水位2510．77m，洪水位2506．70m和洪水位2508．34m，4種運行工況下閘門全開。

根據試驗觀測：水庫來流經引渠導流進入溢流堰前，引渠段水流行進過程均較平穩，進口水流在溢流曲線堰段呈自由流形態，泄流能力由溢流進口控制，溢流堰段水面沿程降低，溢流堰跌坎后底部水流在下游豎井洞壁內側形成長而穩定的摻氣空腔，水流通氣順暢，并向跌入豎井的水體大量摻氣；跌坎后表面水體自由下泄并匯入豎井連接段外側，在交匯處呈較穩定的表面旋滾狀態，水體波動幅度較小，溢流進口水流流態與常壓狀態基本相同。

2.1.2 豎井段

（1）在豎井上部設置了坎寬0．36m，挑坎坡度1∶5的環形摻氣坎，不同泄流工況下，環形摻氣坎后均形成四周全面摻氣的下泄射流，且溢流堰跌坎后底部水流直接越過環形摻氣坎，在豎井內側形成上下貫通的摻氣空腔。

（2）在環形摻氣坎作用下，豎井外側水流先收縮后逐步擴散下泄，坎后通氣順暢，四周摻氣空腔均較長（如表3），校核水位2510．77m下，內、外側空腔長度分別為22．4m和18．5m；洪水位2508．34m時，內、外側空腔長度分別增大至34．5m和29．8m，豎井內、外側空腔長度隨泄流流量的降低有增大的趨勢，豎井內水流整體摻氣充分。

表3 豎井環形摻氣坎后的空腔長度 單位：m

（3）與比尺1∶30常壓模型試驗相比較，減壓狀態下豎井及環形摻氣坎后水流形態大體相近，但減壓狀態下環形摻氣坎后空腔更長。

（4）減壓模型試驗不僅考慮重力相似，且通過改變環境壓力做到模型和原型的水流空化數相似，減壓狀態下環形摻氣坎后的水舌軌跡應該更接近原型，摻氣空腔的型態也可能更為相似。

2.2 動水壓力

進口溢流堰面及豎井段在洪水水位2506．70m的運行條件下，進口溢流堰堰面均為正壓；在設計水位2509．13m時，泄流時堰面個別測點出現較小的負壓，實測最小壓力為-3．0kPa（5#測點）；在校核水位2510．77m時，泄流條件下實測堰面最小壓力為-8．9kPa（4#測點），負壓絕對值小于10kPa。

溢流堰與豎井連接段內側處于摻氣空腔內，實測坎后洞壁壓力為較小的通氣負壓；連接段外側處于溢流水舌與豎井交匯區，動水壓強隨泄流水位和流量的升高而增大，校核水位下實測10#測點的動水壓強為47.7kPa。

不同工況水位下，豎井洞壁上部區域均處于環形摻氣坎后的摻氣空腔內，實測壓力均較小，部分測點為通氣負壓；環形摻氣坎后水流在豎井下部逐漸與洞壁交匯，洞壁壓力突然增大，設計水位下實測豎井末端洞壁最大壓力86.4kPa（11#測點）。如表4。

表4 溢流進口段、豎井段沿程動水壓力 單位：kPa

2.3 水流空化數

水流空化數是反映水流空化特性的重要指標，在不考慮脈動壓力影響的條件下，水流空化數用式（1）表示：

式中 ha為工程所在地的大氣壓力（kPa），ha=7.54m；h為泄洪建筑物表面的時均壓力 （kPa）；hv為汽化壓力（kPa），按照水溫20℃時的汽化壓力計，hv=0.24m；v為過流斷面的平均流速。

根據模型試驗沿程實測動水壓力資料，按式（1）計算整理得到溢流進口段、豎井段典型部位的水流空化指數如表5。

表5 水流空化指數

續表5

由表5可知，溢流進口段在洪水位2506.70m、設計水位2509.13m和校核水位2510.77m泄流工況下，平均流速8.5～10.0m/s，最小水流空化數分別為2.24，1.40，1.06，溢流堰段堰面沒有出現較大負壓，計算得到的水流空化數均大于1.0。

豎井段在洪水位2506.70m、設計水位2509.13m和校核水位2510.77m泄流工況下，最小水流空化數分別為3.94，1.33，0.96，根據SL253—2000《溢洪道設計規范》，減壓模型水流空化數均滿足堰面局部邊坡發生空化指數的要求。

3 結語

（1）減壓狀態下，閘門全開時，不同水位下，溢洪洞進口為穩定的溢流堰自由泄流，進口及豎井水流流態較好，溢流堰跌坎及豎井環形摻氣坎后均能形成穩定的摻氣空腔，豎井環形摻氣坎后四周空腔較長，設計工況下空腔長度達25.6m，且減壓狀態下坎后的空腔比常壓情況下更長，豎井水流摻氣充分。

（2）減壓狀態下閘門全開，不同特征泄流工況下，溢流堰面、豎井內的壓力分布合理。設計水位2209.13m及校核水位2510.77m時，溢流堰面局部負壓低于10kPa。

（3）溢流進口段、豎井段在不同水位下，根據模型試驗測量的數據計算得到的水流空化數均滿足規范要求，不會發生空化水流。

［1］DL/T5166—2002，溢洪道設計規范［S］.

［2］安盛勛，王君利.水平旋流消能泄洪洞設計與研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［3］中國水利水電科學研究院.黃河公伯峽水電站導流洞改建豎井——水平旋流洞綜合試驗研究［R］.2003.

［4］中國水利水電科學研究院.黃河公伯峽水電站豎井水平旋流泄洪洞水力學與結構原型觀測試驗分析報告［R］.2006.

［5］巨江，衛勇.公伯峽水電站水平旋流泄洪洞試驗研究［J］.水力發電學報，2004，23（5）：88-91.

［6］牛爭鳴.水平旋流泄洪洞的基本流態與影響因素［J］.水利水電科技進展，2007，27（4）.

（責任編輯：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

葛彩蓮（1985-），女（漢族），河北衡水人，工程師，主要從事水利設計工作，（Tel）15026005682。