巴基斯坦卡洛特水電站導(dǎo)流洞水工模型試驗研究

岳朝俊，陳道春，竇俊波，林三才，曾 鈺

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

隧洞導(dǎo)流是水利水電工程中常用的導(dǎo)流方式之一，常用的隧洞斷面形式有圓形、城門洞形、馬蹄形、矩形和蛋殼形。圓形斷面多用于有壓隧洞，適用于各種地質(zhì)條件，相比其他斷面水力特性最佳[1]，巴基斯坦卡洛特水電站導(dǎo)流洞即采用襯砌后直徑12.5 m的圓形斷面。

導(dǎo)流洞的泄流能力及流態(tài)直接關(guān)系著導(dǎo)流方案的成敗。目前對導(dǎo)流洞泄流能力的計算研究方法中，水力學(xué)經(jīng)驗公式法難以反映水流運動過程中的水利要素，而目前采用連續(xù)性方程、動量方程及能量方程聯(lián)合求解也得不到準確結(jié)果，只有采用相似理論的水工模型試驗?zāi)苤庇^反映原型水流的各種水力特性，因此在大型工程中應(yīng)用較多。

本文通過卡洛特導(dǎo)流洞水工模型試驗，模擬分析了各種工況下導(dǎo)流洞的泄流能力及水流流態(tài)等，并通過與數(shù)值計算的泄流能力結(jié)果進行對比，驗證了卡洛特水電站導(dǎo)流洞布置方案的合理性。

1 工程概況

卡洛特水電站地處巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆河畔，為Ⅱ等大(2)型工程，工程任務(wù)為發(fā)電的水電樞紐，水庫正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，電站裝機容量720 MW(4×180 MW)。樞紐主要建筑物由瀝青混凝土心墻堆石壩、溢洪道、電站引水及尾水系統(tǒng)、電站廠房等組成，最大壩高95.5 m。

根據(jù)壩址地形地質(zhì)等條件、洪水特性和樞紐建筑物布置等因素，卡洛特水電站采用圍堰一次性攔斷河床、導(dǎo)流洞泄流的導(dǎo)流方式。右岸布置3條直徑12.5 m的圓型導(dǎo)流洞。全年圍堰擋水采用10 a一遇洪水標準，相應(yīng)流量為6 740 m3/s，上游水位為433.2 m，上游圍堰堰頂高程435.0 m，最大堰高55 m，下游圍堰堰頂高程407.5 m，最大堰高27.5 m。導(dǎo)流洞平面布置見圖1。

2 模型設(shè)計及制作

以卡洛特水電站導(dǎo)流洞泄流能力、流速和下游消能效果等為研究目的，結(jié)合試驗場地及流量供給條件考慮，導(dǎo)流洞水工模型試驗采用正態(tài)整體模型，模型按重力相似準則設(shè)計[2]，比尺關(guān)系如下：幾何比尺λL=λh=100，流量比尺λQ=λL2.5=100 000，流速比尺λV=λL0.5=10，時間比尺λt=λL0.5=10，糙率比尺λn=λL1/6=2.154 43。

模型長約25 m，寬約14 m，其中壩軸線上游模擬了導(dǎo)流洞上游主要建筑物及局部河道地形(高程480 m以下)；壩軸線下游模擬的地形長度約1.6 km(高程435 m以下)，包括原吉拉姆河局部河床及導(dǎo)流洞等建筑物的下游出口。整個模型的河道地形采用等高線法制作，且為便于觀察水流流態(tài)及滿足糙率相似的要求，導(dǎo)流洞模型段采用有機玻璃制作完成。

3 試驗內(nèi)容

3.1 試驗研究內(nèi)容

本次模型試驗研究的主要內(nèi)容包括泄流能力、泄洪消能效果、水流流速及流態(tài)等。主要觀測內(nèi)容：① 導(dǎo)流洞泄流能力；② 上下游圍堰高程的復(fù)核確認；③ 進出口流態(tài)觀察；④ 沿程時均壓力分布；⑤ 出口消力池消能效果及流速分布。

3.2 試驗工況

根據(jù)導(dǎo)流洞設(shè)計洪水標準及特征流量，制定本試驗的試驗工況及條件見表1。

表1 水工試驗控制條件Tab.1 Control condition of hydraulic model test

4 試驗分析

本次模型試驗主要研究10 a一遇洪水流量及小于此流量條件下導(dǎo)流洞泄流能力、流態(tài)、時均壓力及出口消力池的消能效果等。

4.1 泄流能力

在試驗中，隨著庫水位從391.96 m升至432.20 m，3個導(dǎo)流洞泄流量由330 m3/s增加至6 740 m3/s。將試驗測得的泄流能力值與數(shù)值計算值進行對比，可以看出兩者差別不大，見圖2。

圖2 導(dǎo)流隧洞泄流能力計算與模型對比示意Fig.2 Discharge comparison between calculation values and test results of diversion tunnels

當導(dǎo)流洞下泄6 740 m3/s流量時，上游圍堰堰前水位約為432.05 m，較堰頂高程設(shè)計值435.00 m約低2.95 m；下游圍堰堰前水位約為406.5 m，較堰頂高程設(shè)計值407.50 m約低1.0 m。此外，在動床沖刷試驗中，導(dǎo)流洞下游河道內(nèi)產(chǎn)生了一定程度淤積，引起其上游河道內(nèi)水位升高，下游圍堰堰前水位升高約0.4 m，相應(yīng)堰前水位約為406.90 m，較堰頂高程設(shè)計值407.50 m約低0.6 m。以上試驗結(jié)果表明上下游圍堰堰頂高程設(shè)置合理。

4.2 流 態(tài)

在1～3號導(dǎo)流洞聯(lián)合下泄500～6 740 m3/s流量時，對導(dǎo)流進口、洞內(nèi)及出口流態(tài)進行了觀測，觀測結(jié)果表明：隨著流量增大，上游水位逐步抬高，1～3號導(dǎo)流洞內(nèi)依次出現(xiàn)明流、半有壓流、明滿流交替、全有壓流4種水流狀態(tài)，水流下泄通暢。

當導(dǎo)流洞下泄6 740 m3/s流量時，受上游河道彎道地形影響，上游來流偏右岸。由于導(dǎo)流洞引水渠右側(cè)與上游地形交角較大，水流進入導(dǎo)流洞引水渠時，右側(cè)存在一定程度的繞流，與1號導(dǎo)流洞前形成一股較強回流(順時針)，有間歇性淺渦形成，同時3號導(dǎo)流洞偶有吸氣漩渦形成，直徑最大達5 m。導(dǎo)流洞內(nèi)沿程均為有壓流，出口基本完全淹沒，消能區(qū)內(nèi)形成淹沒水躍，水面波動較強，引渠內(nèi)主流流向偏右。導(dǎo)流洞出口末端上游河道內(nèi)形成一股回流，導(dǎo)致下游土石圍堰水面波動明顯，對下游圍堰邊坡有一定沖刷。

各級流量下導(dǎo)流洞進口、洞內(nèi)流態(tài)及進口漩渦狀態(tài)見表2。

表2 1～3號導(dǎo)流洞聯(lián)合泄流流態(tài)Tab.2 United flow state of No.1～3 diversion tunnels

4.3 時均壓力

本次模型試驗在工況1～6條件下，測量了導(dǎo)流洞洞身頂部、側(cè)墻及底部的沿程時均壓力，結(jié)果表明：各工況下，各測點時均壓力未出現(xiàn)負壓，同時隨下泄流量增加而增大，壓力分布較為均勻，無明顯壓力突變部位，壓力特性較好[3]。

4.4 出口消能區(qū)流速

當導(dǎo)流洞下泄6 740 m3/s流量時，導(dǎo)流洞出口消力池內(nèi)底部流速最大值約為20.24 m/s；385 m平臺范圍內(nèi)底部流速最大值約為14.44 m/s，位于1號導(dǎo)流洞出口中心線上(消力池尾坎后)，平臺末端底部流速最大值約6.58 m/s，位于1號導(dǎo)流洞出口中心線上；出口所對應(yīng)河槽區(qū)域底部流速值相比消力池尾坎后有顯著降低，流速值約為4.05～5.90 m/s。

當導(dǎo)流洞下泄流量為5 000～3 500 m3/s時，導(dǎo)流洞出口消力池內(nèi)底部流速最大值約為15.21～11.19 m/s；385 m平臺范圍內(nèi)底部流速最大值約為11.19～8.88 m/s，位于2或3號導(dǎo)流洞出口中心線上(消力池尾坎后)，平臺末端底部流速最大值約為4.40 m/s，位于1號導(dǎo)流洞出口中心線上；導(dǎo)流洞出口所對應(yīng)河槽區(qū)域底部流速值相比坎后有顯著降低，最大值約為2.65～2.37 m/s。

由測得的出口消能區(qū)流速可知：導(dǎo)流洞出口水流經(jīng)消力池后流速明顯降低，消力池消能效果明顯[4]。

5 結(jié) 語

卡洛特水電站導(dǎo)流洞水工模型試驗結(jié)果表明：導(dǎo)流洞泄流能力與計算結(jié)果一致，滿足要求，上下游圍堰頂高程設(shè)置合理；進出口水流較平順，導(dǎo)流洞在下泄6 740 m3/s流量時，出口河道回水對下游圍堰邊坡有一定沖刷，應(yīng)加強圍堰下游邊坡防護；在各工況下，洞身段均未出現(xiàn)負壓，壓力分部較為均勻；導(dǎo)流洞下泄水流經(jīng)消力池后，流速明顯降低，消力池消能效果明顯；導(dǎo)流洞各項設(shè)計指標均滿足要求。

目前，導(dǎo)流洞已下閘封堵，卡洛特水電站已蓄水發(fā)電，整個施工導(dǎo)流期間，導(dǎo)流洞運行狀況良好，進出口及洞身未見水流淘蝕破壞，進一步證明了導(dǎo)流洞設(shè)計方案合理。