導流兼泄洪沖砂洞水工模型試驗

【摘要】通過對新疆某水利樞紐工程導流兼泄洪沖砂洞原設計方案模型試驗結果表明，消力池內水流流態不滿足設計要求。經采用增設摻氣槽、懸柵消能工等方法進行優化后，能有效改善消力池內水流特性，穩定池內水流流態，從而達到理想的消能效果。該優化型式可為其他同類工程提供參考。

【關鍵詞】模型試驗；導流洞；消力池；消能

1、工程概述

新疆某水利樞紐工程由土石壩、表孔溢洪道、導流兼泄洪沖砂洞、發電洞和供水管線等主要建筑物組成，為Ⅲ等中型工程。水庫正常蓄水位1370.0m，最大壩高102m，總庫容0.968億m3，具有工業供水、防洪、灌溉等綜合效益。

導流兼泄洪沖砂洞主要由進口引渠段、壓力隧洞段、工作門閘井段，無壓隧洞段、握奇段、出口消能段及護坦段等部分組成。根據地形條件和泄洪安全運用要求，進口引渠長30.0m，底板高程為1292.5m，壓力隧洞長180.6m，工作門井底板高程1292.0m，無壓隧洞長271.0m，縱坡i=0.02，握奇段長71.2m，消力池長85.0m、寬16.0m，底板高程1273.3m，邊墻頂高程1290.3m，消力池后接30.0m長護坦，護坦高程1281.1m。

2、模型設計及試驗工況

根據試驗內容及場地等條件，按重力相似準則，水利樞紐工程導流洞的整體模型幾何比尺54.167，相應其它主要物理量比尺為：流量比尺=21594；流速比尺=7.36；糙率比尺=1.945；時間比尺=7.36。

為穩定入庫水流，模型上游設有前池和穩水柵，下游河道水位由活動尾水板控制。由矩形薄壁堰測量模型上下游水流流量，水位由水位測針量測，由旋槳式螺旋測速儀量測水流流速，由測壓管讀測各測點的壓強。

3、水工模型試驗分析

3.1原設計方案試驗

導流兼泄洪沖砂洞原設計方案模型試驗表明：在各種工況運行條件下，導流洞進口水流較為平順，小流量時偶爾會在進口中央區域出現個別間歇性的小漩渦，對進流流態沒有明顯影響；無壓段城門洞內的下泄水流比較平穩，沿程水深分布均勻，水面波動在0.1～0.2m。

在設計水位流量及校核水位流量泄流運行時，對消力池擴散段的流速進行量測。在消力池握奇段處的表面流速高達32.17m/s，底部流速為31.84 m/s，屬于高速水流，容易產生汽蝕、空蝕，需設置摻氣槽進行保護。由于巨大水頭作用下，消力池內水躍前后擺動較大，水流紊動劇烈，形成的沖擊水流翻越邊墻，需進行優化設計。

不同試驗工況下，導流兼泄洪沖砂洞的泄流能力試驗值見表1，由表可知，導流洞下泄流量試驗值均大于設計泄流能力，因此，導流洞能夠滿足宣泄洪水的要求。

3.2優化方案試驗

為了提高消力池內的消能效果，穩定水流，對其進行優化。考慮導流洞的泄洪沖砂功能，因而消力池池內不宜設置底流輔助消能工，同時受到現場場地的限制，消力池尺寸亦不宜增大。經過多次試驗研究，最終通過在握奇段設置摻氣槽，同時在消力池內增設消能懸柵的方法確定優化方案。消能懸柵設置形式為：在消力池內增設16根消能懸柵，距離池底高度為6.3m～10m，兩根之間水平距離為5m。

通過對導流兼泄洪沖砂洞消力池優化方案進行試驗，在不同工況條件，摻氣水流受到懸柵的摩阻作用，發生強烈的碰撞剪切、混摻，產生大量漩渦、水泡，水躍的起躍端明顯提前，水躍穩定，并且消力池內水流流態都較為理想，消能效果明顯改善。不同工況下消力池內最高水面線分布見圖1，由圖可知，優化方案各工況下的最高水面線較平穩，整個最高水面線均在邊墻以下，并有一定的超高。

在握奇段設置摻氣槽后，通過對不同工況下的沿程壓強進行試驗，未測到負壓值，其最小值為0.2×9.8kPa，為校核洪水下在樁號0+468.617處。

4、消力池消能率分析

為研究優化方案的消力池消能效率，以渥奇段起始斷面0+467.617為1-1斷面、護坦段樁號0+684.045為2-2斷面進行消能率計算，計算結果見表3。由于原設計方案消力池內水流直接沖到消力池末端，形成的沖擊水流翻過消力池墻頂向外溢出，因此，在模型中加高消力池邊墻，以測定2-2斷面數據。不同工況下原設計方案與優化方案消力池消能率計算結果見表2。由表2可知，優化設計后消力池內消能率提高了3.0%～6.4%，高達57.66%～80.37%。分析其主要特點：由于設置了摻氣槽，挾帶大量氣泡的高能量水流在連續撞擊懸柵后，將水流橫向分割，使水流在消力池內充分擴散并發生劇烈碰撞剪切、混摻，從而提高消能效率。

5、結語

通過對新疆某水利樞紐工程導流兼泄洪沖砂洞原設計方案模型試驗結果表明，導流洞下泄流量均能滿足宣泄洪水的要求，在設計洪水和校核洪水位試驗工況下，由于巨大水頭作用下，消力池內水躍前后擺動較大，水流紊動劇烈，形成的沖擊水流翻越邊墻。在原設計方案不滿足設計要求的前提下，通過采用設置摻氣槽、懸柵等方法進行優化。優化方案試驗研究表明

該方案能有效改善消力池內水力特性，穩定池內水流流態，提高消能效率。消能率可達到80.37%，從而達到理想的消能效果。該優化型式可為其他同類工程提供參考。

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