長陡坡泄洪洞泄流能力影響因素的試驗研究

王 威

(遼寧興碩水利工程有限公司，遼寧 新民 110300)

1 研究背景

隨著我國水利工程技術(shù)的不斷發(fā)展，開始在地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)進行水利工程建設(shè)。在山區(qū)建設(shè)的水利工程往往處在V型河谷地帶，大壩的壩高相對較高，綜合考慮項目所處的地形和地質(zhì)條件，大多采取全段圍堰和長陡坡導(dǎo)流隧洞[1]。在工程建成之后，導(dǎo)流洞一般轉(zhuǎn)換為泄洪洞，與其他泄流建筑物共同配合，增強水利工程應(yīng)對洪水襲擊的能力。但是，長陡坡隧洞內(nèi)部的水力問題十分復(fù)雜，不僅容易產(chǎn)生對工程運行不利的水利條件，同時也給其泄流能力造成影響[2]。

清河是遼河左側(cè)的較大支流，流域面積5253km2，河長171km。清河水庫位于清河干流上，于1960年主體工程基本竣工，1966年全部竣工。水庫控制集水面積2376km2，壩址距下游長大鐵路橋和開原縣城約13km。2011年11月8日，遼寧省清河水庫除險加固工程正式開工建設(shè)，并完成大壩工程、溢洪道工程、泄洪洞工程的建設(shè)[3]。其中，右岸泄洪洞洞徑4.00m，總長752.00m，進口底高程108.00m，泄洪洞出口底高程101.00m。其平均縱坡大于0.38%的臨界縱坡，屬于水力學(xué)長陡坡隧洞。基于此，此次研究以清河水庫右岸泄洪洞為例，利用水工模型試驗的方式，分析和探討模型試驗中長陡坡隧洞泄流能力的影響因素，以便為相關(guān)研究和工程設(shè)計提供有益的支持和借鑒。

2 水工模型與試驗方法

2.1 模型制作

在背景工程泄洪洞物理模型制作過程中，根據(jù)弗氏模型相似律以及水流運動的相似原理進行水工試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計，模型采用整體正態(tài)模型[4]。根據(jù)模型比尺的相關(guān)研究理論，同時結(jié)合此次研究的實際需要和現(xiàn)場特點，在模型設(shè)計過程中按照SL 155—95《水工模型試驗規(guī)程》的相關(guān)要求和工程設(shè)計，按照重力相似準(zhǔn)則進行模型設(shè)計[3]。其中，模型的幾何比尺為1∶25；流速比尺為1∶5；流量比尺為1∶3125；糙率比尺為1∶1.3077；時間比尺為1∶5。

為了使試驗?zāi)Ｐ湍軌虮M可能真實反映背景工程的實際情況，在水工結(jié)構(gòu)材料選擇過程中必須要充分考慮材料的糙率，雖然不能保證材料的糙率嚴格滿足相似性要求，但是差異不能過大，否則就會嚴重影響試驗結(jié)果的精度[5]。根據(jù)各種常用材料的糙率特征，模型中的泄水建筑物使用有利玻璃制作，其余附屬結(jié)構(gòu)使用水泥磚和水泥砂漿制作。綜合考慮制作成本和試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型的模擬范圍為泄洪洞進口上游500m，泄洪洞下游出口1000m。

2.2 試驗條件與方法

水工模型試驗供水系統(tǒng)設(shè)施包括蓄水池、動力泵、尾水池、配水管和回水槽等。試驗過程中通過潛水泵將地下蓄水池中的水經(jīng)過輸水管道輸送至高位蓄水池中，利用上游閘門的控制和調(diào)節(jié)，使量水堰的水位和水量達到試驗要求，然后開始試驗觀測，并記錄好相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。模型的下瀉水流經(jīng)過下游的尾水池收集并最終進入地下蓄水池，實現(xiàn)循環(huán)利用[6]。

試驗過程中的水位和水面線的測量使用的是水位測針和水位跟蹤儀，測量的精度為0.1mm；試驗中的流速測量采用的是南京水科院研制的便攜式流速儀，其測量精度為0.01m/s；試驗中的流量測量采用的是矩形量水堰，其量程和精度均滿足試驗要求。

為了達到試驗精度，在試驗開始之前首先進行預(yù)放水試驗，以排除管道內(nèi)的氣體對流量的影響。在試驗進行的過程中，需要逐級緩慢調(diào)節(jié)流量的大小，直至流量達到試驗的預(yù)設(shè)值并穩(wěn)定，避免流量的快速波動對試驗結(jié)果的影響。

2.3 試驗方案

長陡坡隧洞在泄流能力方面存在較為突出的問題，清河水庫右岸泄洪洞在設(shè)計洪水位運行期間，其壩前水位并沒有達到設(shè)計水位，且存在比較明顯的差距，這說明泄洪洞存在一定的超泄現(xiàn)象。基于此，此次試驗通過驗證50、100、150、200、250、300、400、500m3/s等不同預(yù)估流量條件下上游水位和泄流能力之間的關(guān)系，探討地形、糙率、坡度和彎道等因素對泄洪洞泄流能力的影響。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 地形

在試驗?zāi)Ｐ椭嗅槍ο掠魏哟驳牡匦螚l件進行定床模型優(yōu)化，并對優(yōu)化前后的泄流能力進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，繪制出如圖1所示的水位流量曲線。由圖可以看出，在下游河床地形優(yōu)化之后，庫水位116～124m之間時泄洪洞的泄流能力提升比較明顯，其余低水位和高水位則比較接近。由此可見，地形優(yōu)化對泄洪洞泄流能力的影響主要集中在水庫的中高水位。

圖1 地形修改前后庫水位與流量關(guān)系曲線

3.2 糙率

泄洪洞的糙率是泄流能力計算的關(guān)鍵性參數(shù)，由于長陡坡隧洞的洞身長度較大，因此糙率對沿程水頭損失的影響會更大，而水頭損失會直接影響泄洪洞泄洪過程中的流量系數(shù)，進而對泄流能力造成比較明顯的影響[7]。對水工隧洞的設(shè)計而言，如果選擇的糙率偏大，會導(dǎo)致泄流量的計算結(jié)果偏小，進而需要加大壩高，增加施工成本和工期。如果取值偏小，則會導(dǎo)致泄流量計算值偏大，從而造成工程隱患[8]。在水工模型試驗中，糙率的相似性與材料屬性和比尺存在明顯關(guān)聯(lián)。以此次試驗中使用的有利玻璃為例，在不同比尺下的糙率相對誤差見表1。由表中的結(jié)果可以看出，即使選擇1∶20的模型比尺，其糙率的誤差也偏大26%左右，而這必然后導(dǎo)致泄流量計算結(jié)果偏小。為了解決這一問題，在模型試驗中一般采用變態(tài)比尺和修正洞長的方式，但是這兩種方法都有其不足之處。因此，此次研究采用一種改進修正的方式，在試驗中保證泄洪洞局部水頭損失和原型工程的相似性，而沿程水頭損失則通過引入曼寧公式，采用沿程阻力系數(shù)進行描述，以分析糙率的實際影響。其換算公式為：

(1)

式中，ΔH—糙率修正增量；Q—實測流量，m3/s；np—原型糙率；L—洞長，m；R—水力半徑，m；A—過流斷面面積，m2。

表1 有機玻璃糙率相對誤差

按照上述方法對背景工程糙率進行修正并試驗，獲得修正前、修正后以及工程實測的庫水位和流量之間的關(guān)系，其變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，修正后的試驗結(jié)果更接近工程實際，同時也說明糙率對泄洪洞的泄流能力存在十分顯著的影響。

圖2 糙率修正前后庫水位與流量關(guān)系曲線

3.3 坡度

在工程實際中，水工隧洞的底坡坡度主要和進口和出口底板的高程有關(guān)，同時需要考慮水工隧洞運行過程中的實際要求，因此坡度一般在0.35%以下。但是，在長陡坡隧洞工況下，坡度對泄流量的影響就不容忽視。因此研究中，選擇0、0.38%、0.72%、1.1%、1.5%等5種不同的坡度進行試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，獲得如圖3所示的庫水位和泄流量的變化曲線。由試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)泄流量較小的情況下，坡度對泄流量的影響不大，各個坡度下的泄流量變化曲線接近于一條曲線，當(dāng)泄流量較大是，坡度對泄流量的影響較為明顯，且坡度越大，泄洪洞的泄流能力越強。

圖3 不同坡度庫水位與流量關(guān)系曲線

3.4 彎道

在水利工程中隧洞帶彎道的情況比較常見，而彎道水流也主要表現(xiàn)為急流，并可能對隧洞的泄流能力造成影響。基于此，此次研究中對泄洪洞模型進行改裝，在直管道的基礎(chǔ)上增加彎度為54°的彎道并進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，繪制出如圖4所示的有無彎道情況下的庫水位和泄流量之間的關(guān)系。由圖可以看出，有彎道的泄洪洞和無彎道的泄洪洞在泄流能力上存在微小的差異，但是總體變化規(guī)律相對一致。由此可見，彎道對泄洪洞泄流能力的影響相對較小。

圖4 有無彎道庫水位與流量關(guān)系曲線

4 結(jié)語

此次研究以遼寧省清河水庫右岸泄洪洞為例，利用水工模型試驗的方式探討了長陡坡泄洪洞泄流能力的影響因素。結(jié)果顯示，出口地形、糙率、坡度和彎道都會對長陡坡泄洪洞的泄流能力產(chǎn)生影響，且影響的程度有所不同。其中，影響最大的是泄洪洞的糙率，其次是泄洪洞的坡度，再次是泄洪洞出口的地形，影響最小的是有無彎道。研究結(jié)論有助于對長陡坡泄洪洞水力特征的進一步認識，對長陡坡水工隧洞的設(shè)計，特別是過流能力的計算具有一定的參考價值。當(dāng)然，長陡坡水工隧洞的泄流能力的影響因素眾多，特別是泄流能力計算方面還沒有統(tǒng)一的計算公式，在后續(xù)研究中需要予以重點關(guān)注，促進水工隧洞過流理論的發(fā)展和完善。