輸水隧洞水工模型管理論文

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1工程概況

東河水庫為除險加固工程,壩址以上控制徑流面積582.8km2,總庫容4815.65萬m3。輸水泄洪隧洞布置在左岸則隧洞軸線較長,且進出口轉角較大。輸水隧洞布置于右岸,由于樞紐區地形狹窄，溢洪道尾段、輸水隧洞出口共用一個消力池。設計洪水位溢洪道下泄流量269.2m3/s,泄洪隧洞

下泄流量53.2m3/s;校核洪水位1744.41m,溢洪道下泄流量547.8m3/s,泄洪隧洞下泄流量59.9m3/s。溢洪道全長333.13m,堰型為寬頂堰，凈寬3×6m，其中引渠段長156.13m,控制段長12m，陡槽段長130m。縱坡分別為0.1、0.145。泄洪輸水隧洞全長301.57m，其中有壓段為平坡，長76.90m;閘室段長6.5m,無壓段長194.53m,坡度分別為0.02、0.266,斷面均為城門洞形,寬度2.5m,有壓段最大高度5.72米;無壓段最大高度3.22米。

2試驗內容

1)上游水位與溢洪道、泄洪輸水隧洞下泄流量的關系;

2)溢洪道、泄洪輸水隧洞陡槽內水流流態研究;

3)測定溢洪道和泄洪輸水隧洞水面線、沿程壓力分布及流速分布;

4)溢洪道、泄洪輸水隧洞進口水流流態研究及進水渠水流流態研究;

5)底流消能及下游河床流態研究。

3模型設計

模型按重力相似準則設計,采用正態模型。經計算比較模型最終選用比

尺入L=40,相應比尺參數:

流量比尺：入q=入L5/2=10119.29時間比尺：入T=入L1/2=6.32

流速比尺：入v=入L1/2=6.32糙率比尺：入n=入L1/6=1.85

4初步設計方案試驗成果及分析

溢洪道沿程布設15個測點，泄洪洞沿程布設13個測點,以研究泄流時的壓力分布和空穴數。

空穴數k=(P+Pa-Pv)/(v2/2g)

P—動水壓力Pa—大氣壓力Pv—飽和蒸汽壓力

k>1.7一般不會發生氣蝕；1.7>k>0.3控制平整度

0.3>k>0.12增設通氣槽；k<0.12修改體型

4.1水位流量關系曲線

溢洪道水位～流量關系表(流量系數0.341～0.373)

序號

上游水位

泄流量

序號

上游水位

泄流量

1

1.0

27.2

10

4.23

250.3(P=2%)

2

1.5

50.1

11

4.50

274.5

3

1.98

78.6(P=20%)

12

5.0

322.0

4

2.50

111.9

13

5.50

373.9

5

3.0

148.0

14

6.0

430.0

6

3.27

168.8(P=5%)

15

6.18

451.6(P=0.2%)

7

3.50

187.6

16

6.50

489.5

8

3.85

217.1(P=3.33%)

17

6.80

526.8(P=0.1%)

9

4.0

230.0

18

7.0

551

泄洪洞水位～流量關系表

序號

上游水位

泄流量

序號

上游水位

泄流量

1

10．66

4

12.91

72.1(P=2%)

2

11．95

66．6(P=5%)

5

14.86

77.8(P=0.2%)

3

12．53

70．5(P=3.33%)

6

15.48

80.9(P=0.1%)

4.2試驗成果小結

溢洪道通過設計流量時,引水渠內水流流態較為平順,閘前水流流速水頭較小，過堰水流在閘墩前即開始加速，通過閘墩時流速進一步增大,速度梯度變化較大,過閘后的水流形成明顯的沖擊波;加速后的水流在閘墩尾部已脫離邊界,水流在墩尾形成“V”形空腔;閘門門槽處水流流態基本正常,溢洪道出口水流明顯受到頂托,消力池消能效果較差,下游河道水流流態紊亂。泄洪洞通過設計流量時,過閘后的水流由于流速較大,已形成摻氣水流,并且在縱坡i=0.02陡槽段沿程水深逐漸增加,局部地段水深接近無壓隧洞頂部；檢修閘門和工作閘門門槽處水流流態均不理想(出現摻氣旋渦);泄洪隧洞出口處水流受到明顯頂托,消力池消能效果較差。

溢洪道通過校核流量時,閘前水流較為平順,閘后水流流態進一步惡化,閘墩尾部水流銜接較差(產生明顯的“V”形空腔);閘門門槽處水流流態較好;溢洪道出口水流明顯受到頂托,消力池消能效果極差,下游河道水流流態極為紊亂。泄洪洞通過校核流量時,過閘后的水流由于流速較大,已形成明顯的摻氣水流，并且在縱坡i=0.02陡槽段沿程水深逐漸增加,局部地段水深已達無壓隧洞頂部(出現明、滿流交替現象);檢修閘門和工作閘門門槽處水流流態極不理想(出現明顯氣泡);泄洪隧洞出口處水流受到明顯頂托,消力池消能效果極差。溢洪道和泄洪洞出口處，由于受到消力池左側回流的影響，水深均超過了設計邊墻高度，并直接導致消力池消能效果極不理想。

4.3原設計方案試驗成果分析

1)溢洪道通過不同頻率流量下的庫水位模型實測值均小于理論計算值,表明溢洪道的泄流能力能夠滿足設計要求;但泄洪洞在不同頻率庫水位下,流量的模型實測值均大于理論計算值，洞內水流出現明、滿流交替現象,表明泄洪洞的泄流能力已經超過設計過流能力，泄洪洞無壓段斷面不足。

2)溢洪道泄槽內水流在設計流量下和校核流量下雖然均產生沖擊波，但對水流下泄影響不大。此外,無論是設計流量,還是校核流量，水流在閘墩尾部產生“V”型空腔,分析其主要原因,在于水流在閘墩范圍內速度梯度變化過大,閘墩尾部體型不太合理,致使水流脫離邊界。泄洪洞通過不同頻率的流量時,均出現無壓段水深沿程增加的現象。

3)消力池對下泄水流的約束能力太差,在不同頻率流量下，進入消力池的水流均躍出消力池尾坎,直沖對岸(大流量時，翻越河道邊墻)，消力池消能效果極不理想,同時下游河道水流極為紊亂,平面上呈“Z”形大幅擺動,水深沿河道橫斷面分布極不均勻。

4)溢洪道進水渠水流流態較為平順。

5）隧洞是否泄洪消力池水深及流態變化不大。

5修改方案試驗成果及分析

5.1改進措施

根據水工模型試驗成果，對原設計方案進行如下修改：

1）將原設計中出口閘墩下游端體型由圓形改為橢圓曲線；

2）消力池底板高程由1720.162m降至1619.162m,消力池深度由3.838m加深至4.838m。為確保消力池不受左側回流影響,增加左側邊墻;

3)上階段設計由于擔心泄洪輸水隧洞進出口受溢洪道泄洪的影響流量系數取值偏小,導致泄洪洞在500年一遇以上洪水位（隧洞下泄流量77.8m3/s）時0+135—0+194.14出現明、滿流交替現象。因隧洞超泄能力小,加之泄水建筑物泄流量已滿足大壩防洪要求,故水庫在高水位運行(大于1742.28m)泄洪洞應限制開度運行,此時閘門最大開度為2m(孔口2.5×2.5m)。

5.2試驗成果小結

1)溢洪道通過不同頻率流量下的庫水位模型實測值均略小于理論計算值，表明溢洪道的泄流能力能夠滿足設計要求；

2)溢洪道泄槽內水流在設計流量下和校核流量下雖然均產生沖擊波，但對水流下泄影響不大。

3）原設計水流在溢洪道閘墩尾部出現水流脫離邊界現象,并產生“V”形空腔,分析其主要原因,在于水流在閘墩范圍內流速梯度變化過大，閘墩尾部體型不太合理。經修改閘墩體型后“V”形空腔基本消失。

4)在不同頻率流量下，修改后的消力池消能效果較好，經消力池下泄的水流均比較平順；隧洞泄洪對消力池流態及水深影響不大；消力池后下游河道水流較為平順，水深沿河道橫斷面分布比較均勻。

5)溢洪道進水渠水流流態較為平順；進口水流流態對上游壩腳無不利影響。

修改后溢洪道水力要素表（P=0.1%,Q=526.8m3/s）

測點

編號

里程

（m）

水深

（m）

壓力

（m）

流速

（m）

Fr

（m）

摻氣

水深

空穴數

1

0-156.36

9.00

8.88

0.7

0.07

9.0

684

2

0+000

6.42

5.76

3.97

0.5

6.43

17.4

3

0+004.5

4.89

4.76

5.53

0.8

4.91

8.31

4

0+11.60

3.36

3.08

8.68

1.51

3.41

2.93

5

0+012.40

2.86

3.0

8.95

1.69

2.91

2.74

6

0+041.60

3.49

2.96

10.16

1.74

3.57

2.73

7

0+042.4

3.50

2.88

10.18

1.74

3.58

2.10

8

0+072.0

2.75

2.48

12.96

2.50

2.87

1.25

9

0+102.0

2.40

2.0

14.89

3.07

2.55

0.9

10

0+141.60

2.68

6.68

13.33

2.60

2.80

1.32

11

0+142.40

3.88

14.50

1.13

12

0+148.10

4.0

14.17

13

0+153.80

2.96

13.08

14

0+159.50

5.32

11.69

15

0+176.60

11.9

5.53

修改后泄洪洞水力要素表（P=0.1%,Q=61.8m3/s）

測點

編號

里程

（m）

水深

（m）

壓力

（m）

流速

（m）

Fr

（m）

摻氣

水深

空穴數

7

0+000.8

1.51

1.72

16.17

4.2

1.80

0.74

8

0+045.0

2.07

1.56

11.79

2.62

2.26

1.38

9

0+090.0

2.15

1.88

11.38

2.48

2.33

1.53

10

0+135.0

2.45

2.08

9.86

2.01

2.60

2.07

11

0+168.3

2.31

2.2

10.59

2.22

2.47

1.82

12

0+179.1

2.21

1.32

11.06

2.38

2.38

1.53

13

0+194.14

3.42

6.52

7.14

1.23

3.52

5.67

溢洪道流量系數0.341～0.373之間;泄洪洞(閘門開度2.0m)流量系數0.665～0.706之間。

6結語

1）東河水庫通過模型試驗較好地得出了溢洪道、泄洪洞水位流量關系曲線，為今后水庫運行制定調度計劃提供了依據；

2）通過模型試驗對原設計不合理之處進行了修改，為下階段工程設計打下了基礎；

3）溢洪道、泄洪輸水隧洞進出口均交叉，原設計過程中擔心泄洪時會相互影響，從而降低泄洪建筑物泄流能力；兩建筑物共用一個消力池，消力池體型為“五”邊形，消力池消能效果較差。通過模型試驗徹底打消了設計人員的疑慮，為今后在狹窄河谷修建水工建筑物提供了很好的實例；

4）水工模型試驗雖能反映一定的實際，但今后工程完工投入運行后應加強觀測，并對試驗參數進行修改，總結經驗為類似工程服務。