導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞水工模型試驗(yàn)

【摘要】通過(guò)對(duì)新疆某水利樞紐工程導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞原設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)結(jié)果表明，消力池內(nèi)水流流態(tài)不滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)采用增設(shè)摻氣槽、懸柵消能工等方法進(jìn)行優(yōu)化后，能有效改善消力池內(nèi)水流特性，穩(wěn)定池內(nèi)水流流態(tài)，從而達(dá)到理想的消能效果。該優(yōu)化型式可為其他同類(lèi)工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】模型試驗(yàn)；導(dǎo)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(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、發(fā)電洞和供水管線等主要建筑物組成，為Ⅲ等中型工程。水庫(kù)正常蓄水位1370.0m，最大壩高102m，總庫(kù)容0.968億m3，具有工業(yè)供水、防洪、灌溉等綜合效益。

導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞主要由進(jìn)口引渠段、壓力隧洞段、工作門(mén)閘井段，無(wú)壓隧洞段、握奇段、出口消能段及護(hù)坦段等部分組成。根據(jù)地形條件和泄洪安全運(yùn)用要求，進(jìn)口引渠長(zhǎng)30.0m，底板高程為1292.5m，壓力隧洞長(zhǎng)180.6m，工作門(mén)井底板高程1292.0m，無(wú)壓隧洞長(zhǎng)271.0m，縱坡i=0.02，握奇段長(zhǎng)71.2m，消力池長(zhǎng)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(zhǎng)護(hù)坦，護(hù)坦高程1281.1m。

2、模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工況

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容及場(chǎng)地等條件，按重力相似準(zhǔn)則，水利樞紐工程導(dǎo)流洞的整體模型幾何比尺54.167，相應(yīng)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(shí)間比尺=7.36。

為穩(wěn)定入庫(kù)水流，模型上游設(shè)有前池和穩(wěn)水柵，下游河道水位由活動(dòng)尾水板控制。由矩形薄壁堰測(cè)量模型上下游水流流量，水位由水位測(cè)針量測(cè)，由旋槳式螺旋測(cè)速儀量測(cè)水流流速，由測(cè)壓管讀測(cè)各測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)。

3、水工模型試驗(yàn)分析

3.1原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞原設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)表明：在各種工況運(yùn)行條件下，導(dǎo)流洞進(jìn)口水流較為平順，小流量時(shí)偶爾會(huì)在進(jìn)口中央?yún)^(qū)域出現(xiàn)個(gè)別間歇性的小漩渦，對(duì)進(jìn)流流態(tài)沒(méi)有明顯影響；無(wú)壓段城門(mén)洞內(nèi)的下泄水流比較平穩(wěn)，沿程水深分布均勻，水面波動(dòng)在0.1～0.2m。

在設(shè)計(jì)水位流量及校核水位流量泄流運(yùn)行時(shí)，對(duì)消力池?cái)U(kuò)散段的流速進(jìn)行量測(cè)。在消力池握奇段處的表面流速高達(dá)32.17m/s，底部流速為31.84 m/s，屬于高速水流，容易產(chǎn)生汽蝕、空蝕，需設(shè)置摻氣槽進(jìn)行保護(hù)。由于巨大水頭作用下，消力池內(nèi)水躍前后擺動(dòng)較大，水流紊動(dòng)劇烈，形成的沖擊水流翻越邊墻，需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

不同試驗(yàn)工況下，導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞的泄流能力試驗(yàn)值見(jiàn)表1，由表可知，導(dǎo)流洞下泄流量試驗(yàn)值均大于設(shè)計(jì)泄流能力，因此，導(dǎo)流洞能夠滿足宣泄洪水的要求。

3.2優(yōu)化方案試驗(yàn)

為了提高消力池內(nèi)的消能效果，穩(wěn)定水流，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。考慮導(dǎo)流洞的泄洪沖砂功能，因而消力池池內(nèi)不宜設(shè)置底流輔助消能工，同時(shí)受到現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的限制，消力池尺寸亦不宜增大。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)研究，最終通過(guò)在握奇段設(shè)置摻氣槽，同時(shí)在消力池內(nèi)增設(shè)消能懸柵的方法確定優(yōu)化方案。消能懸柵設(shè)置形式為：在消力池內(nèi)增設(shè)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(guò)對(duì)導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞消力池優(yōu)化方案進(jìn)行試驗(yàn)，在不同工況條件，摻氣水流受到懸柵的摩阻作用，發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞剪切、混摻，產(chǎn)生大量漩渦、水泡，水躍的起躍端明顯提前，水躍穩(wěn)定，并且消力池內(nèi)水流流態(tài)都較為理想，消能效果明顯改善。不同工況下消力池內(nèi)最高水面線分布見(jiàn)圖1，由圖可知，優(yōu)化方案各工況下的最高水面線較平穩(wěn)，整個(gè)最高水面線均在邊墻以下，并有一定的超高。

在握奇段設(shè)置摻氣槽后，通過(guò)對(duì)不同工況下的沿程壓強(qiáng)進(jìn)行試驗(yàn)，未測(cè)到負(fù)壓值，其最小值為0.2×9.8kPa，為校核洪水下在樁號(hào)0+468.617處。

4、消力池消能率分析

為研究?jī)?yōu)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(hù)坦段樁號(hào)0+684.045為2-2斷面進(jìn)行消能率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由于原設(shè)計(jì)方案消力池內(nèi)水流直接沖到消力池末端，形成的沖擊水流翻過(guò)消力池墻頂向外溢出，因此，在模型中加高消力池邊墻，以測(cè)定2-2斷面數(shù)據(jù)。不同工況下原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化方案消力池消能率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后消力池內(nèi)消能率提高了3.0%～6.4%，高達(dá)57.66%～80.37%。分析其主要特點(diǎn)：由于設(shè)置了摻氣槽，挾帶大量氣泡的高能量水流在連續(xù)撞擊懸柵后，將水流橫向分割，使水流在消力池內(nèi)充分?jǐn)U散并發(fā)生劇烈碰撞剪切、混摻，從而提高消能效率。

5、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)新疆某水利樞紐工程導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞原設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)流洞下泄流量均能滿足宣泄洪水的要求，在設(shè)計(jì)洪水和校核洪水位試驗(yàn)工況下，由于巨大水頭作用下，消力池內(nèi)水躍前后擺動(dòng)較大，水流紊動(dòng)劇烈，形成的沖擊水流翻越邊墻。在原設(shè)計(jì)方案不滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，通過(guò)采用設(shè)置摻氣槽、懸柵等方法進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案試驗(yàn)研究表明

該方案能有效改善消力池內(nèi)水力特性，穩(wěn)定池內(nèi)水流流態(tài)，提高消能效率。消能率可達(dá)到80.37%，從而達(dá)到理想的消能效果。該優(yōu)化型式可為其他同類(lèi)工程提供參考。

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