新疆某工程表孔溢洪洞水工模型試驗(yàn)研究

葛彩蓮

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

新疆某工程表孔溢洪洞水工模型試驗(yàn)研究

葛彩蓮

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

通過(guò)建立表孔溢洪洞減壓模型試驗(yàn)，在不同水位泄流條件下，對(duì)泄洪洞的進(jìn)口段、豎井段的水流流態(tài)、動(dòng)水壓力、水流空化數(shù)進(jìn)行觀測(cè)分析，試驗(yàn)結(jié)果顯示：進(jìn)口為穩(wěn)定的溢流堰自由泄流，進(jìn)口及豎井水流流態(tài)較好，溢流堰跌坎及豎井環(huán)形摻氣坎后均能形成穩(wěn)定的摻氣空腔；溢流堰面、豎井內(nèi)的壓力分布合理；水流空化數(shù)均滿足規(guī)范要求，不會(huì)發(fā)生空化水流。

水流流態(tài)；動(dòng)水壓力；減壓模型；水流空化數(shù)

新疆某水庫(kù)工程設(shè)計(jì)水位2509.13m，校核水位2510.77m，是一項(xiàng)以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電的綜合性水利工程。該樞紐工程由攔河壩、表孔溢洪洞、底孔泄洪等建筑物組成，表孔溢洪洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎秘Q井水平旋流的消能形式，堰寬10m，最大泄流量達(dá)650m3/s，上下游落差最大達(dá)130m以上，其中豎井高度接近100m。目前水平旋流消能技術(shù)在國(guó)內(nèi)外水電工程中的應(yīng)用較少，對(duì)高水頭、大流量水平旋流洞的水力學(xué)問(wèn)題特別是空化方面的研究甚少［1-3］。該工程表孔水平旋流溢洪洞由溢流曲線進(jìn)口、豎井、起旋室等多個(gè)部位銜接組成，其結(jié)構(gòu)體型及過(guò)流邊界較為復(fù)雜，水流空化問(wèn)題突出，本文需要通過(guò)減壓模型試驗(yàn)，對(duì)表孔溢流洞的曲線進(jìn)口、豎井段關(guān)鍵部位的空化特性進(jìn)行分析，論證進(jìn)口、豎井段的抗空化特性，以減免表孔溢流洞在高水頭、大流量泄流條件下發(fā)生空化空蝕的可能性，為表孔溢流洞的安全運(yùn)行提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容及工況

表孔溢洪洞減壓模型試驗(yàn)以常壓試驗(yàn)的推薦體型為基礎(chǔ)，對(duì)豎井進(jìn)流水平旋流洞關(guān)鍵部位的空化特性進(jìn)行研究，對(duì)比觀測(cè)常壓狀態(tài)和減壓狀態(tài)洞內(nèi)的水流流態(tài)和壓力分布，監(jiān)測(cè)不同運(yùn)行條件下溢流進(jìn)口段、豎井段部位的水流空化噪聲，分析其水流空化特性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出結(jié)論或修改建議［4-5］。

其主要試驗(yàn)內(nèi)容：

（1）減壓狀態(tài)下，觀測(cè)不同泄流條件下溢流進(jìn)口段、豎井段的水流流態(tài)，觀察摻氣設(shè)施水流形態(tài)和穩(wěn)定性。

（2）減壓狀態(tài)下，測(cè)量表孔溢洪洞在不同泄流條件下的動(dòng)水壓力，分析溢流進(jìn)口段、豎井段的壓力分布特性。

（3）根據(jù)實(shí)測(cè)壓力資料，計(jì)算溢洪進(jìn)口段、豎井段在不同水位泄流條件下的水流空化數(shù)，初步分析水流的空化特性。

水庫(kù)特征水位及表孔溢洪洞相應(yīng)流量如表1。

表1 水庫(kù)特征水位及表孔溢洪洞相應(yīng)流量

1.2 模型設(shè)計(jì)和測(cè)點(diǎn)布置

減壓模型試驗(yàn)的重點(diǎn)在于研究溢洪洞進(jìn)口和豎井段的水流空化特征。溢洪洞減壓水工模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮模型水流空化數(shù)與原型水流空化數(shù)相同的相似條件［6］，減壓模型設(shè)計(jì)中相關(guān)物理量的比尺如表2。為了便于觀察水流流態(tài)，模型全部采用透明有機(jī)玻璃精細(xì)加工制作。

表2 模型的主要尺寸關(guān)系

表孔溢洪洞減壓模型在進(jìn)口溢流控制段、豎井布置了14個(gè)動(dòng)水壓力測(cè)點(diǎn)。其中沿進(jìn)口溢流曲線底板中心線布置了7個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)（編號(hào)1#～7#）；在豎井段洞壁共布置7個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)（編號(hào)8#～14#），各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)具體布置如圖1。

圖1 進(jìn)口段、豎井段壓力測(cè)點(diǎn)布置

2 模型試驗(yàn)成果

2.1 水流流態(tài)

2.1.1 溢流進(jìn)口段

在減壓狀態(tài)下，設(shè)計(jì)水位2509．13m，校核水位2510．77m，洪水位2506．70m和洪水位2508．34m，4種運(yùn)行工況下閘門全開(kāi)。

根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)：水庫(kù)來(lái)流經(jīng)引渠導(dǎo)流進(jìn)入溢流堰前，引渠段水流行進(jìn)過(guò)程均較平穩(wěn)，進(jìn)口水流在溢流曲線堰段呈自由流形態(tài)，泄流能力由溢流進(jìn)口控制，溢流堰段水面沿程降低，溢流堰跌坎后底部水流在下游豎井洞壁內(nèi)側(cè)形成長(zhǎng)而穩(wěn)定的摻氣空腔，水流通氣順暢，并向跌入豎井的水體大量摻氣；跌坎后表面水體自由下泄并匯入豎井連接段外側(cè)，在交匯處呈較穩(wěn)定的表面旋滾狀態(tài)，水體波動(dòng)幅度較小，溢流進(jìn)口水流流態(tài)與常壓狀態(tài)基本相同。

2.1.2 豎井段

（1）在豎井上部設(shè)置了坎寬0．36m，挑坎坡度1∶5的環(huán)形摻氣坎，不同泄流工況下，環(huán)形摻氣坎后均形成四周全面摻氣的下泄射流，且溢流堰跌坎后底部水流直接越過(guò)環(huán)形摻氣坎，在豎井內(nèi)側(cè)形成上下貫通的摻氣空腔。

（2）在環(huán)形摻氣坎作用下，豎井外側(cè)水流先收縮后逐步擴(kuò)散下泄，坎后通氣順暢，四周摻氣空腔均較長(zhǎng)（如表3），校核水位2510．77m下，內(nèi)、外側(cè)空腔長(zhǎng)度分別為22．4m和18．5m；洪水位2508．34m時(shí)，內(nèi)、外側(cè)空腔長(zhǎng)度分別增大至34．5m和29．8m，豎井內(nèi)、外側(cè)空腔長(zhǎng)度隨泄流流量的降低有增大的趨勢(shì)，豎井內(nèi)水流整體摻氣充分。

表3 豎井環(huán)形摻氣坎后的空腔長(zhǎng)度 單位：m

（3）與比尺1∶30常壓模型試驗(yàn)相比較，減壓狀態(tài)下豎井及環(huán)形摻氣坎后水流形態(tài)大體相近，但減壓狀態(tài)下環(huán)形摻氣坎后空腔更長(zhǎng)。

（4）減壓模型試驗(yàn)不僅考慮重力相似，且通過(guò)改變環(huán)境壓力做到模型和原型的水流空化數(shù)相似，減壓狀態(tài)下環(huán)形摻氣坎后的水舌軌跡應(yīng)該更接近原型，摻氣空腔的型態(tài)也可能更為相似。

2.2 動(dòng)水壓力

進(jìn)口溢流堰面及豎井段在洪水水位2506．70m的運(yùn)行條件下，進(jìn)口溢流堰堰面均為正壓；在設(shè)計(jì)水位2509．13m時(shí)，泄流時(shí)堰面?zhèn)€別測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)較小的負(fù)壓，實(shí)測(cè)最小壓力為-3．0kPa（5#測(cè)點(diǎn)）；在校核水位2510．77m時(shí)，泄流條件下實(shí)測(cè)堰面最小壓力為-8．9kPa（4#測(cè)點(diǎn)），負(fù)壓絕對(duì)值小于10kPa。

溢流堰與豎井連接段內(nèi)側(cè)處于摻氣空腔內(nèi)，實(shí)測(cè)坎后洞壁壓力為較小的通氣負(fù)壓；連接段外側(cè)處于溢流水舌與豎井交匯區(qū)，動(dòng)水壓強(qiáng)隨泄流水位和流量的升高而增大，校核水位下實(shí)測(cè)10#測(cè)點(diǎn)的動(dòng)水壓強(qiáng)為47.7kPa。

不同工況水位下，豎井洞壁上部區(qū)域均處于環(huán)形摻氣坎后的摻氣空腔內(nèi)，實(shí)測(cè)壓力均較小，部分測(cè)點(diǎn)為通氣負(fù)壓；環(huán)形摻氣坎后水流在豎井下部逐漸與洞壁交匯，洞壁壓力突然增大，設(shè)計(jì)水位下實(shí)測(cè)豎井末端洞壁最大壓力86.4kPa（11#測(cè)點(diǎn)）。如表4。

表4 溢流進(jìn)口段、豎井段沿程動(dòng)水壓力 單位：kPa

2.3 水流空化數(shù)

水流空化數(shù)是反映水流空化特性的重要指標(biāo)，在不考慮脈動(dòng)壓力影響的條件下，水流空化數(shù)用式（1）表示：

式中 ha為工程所在地的大氣壓力（kPa），ha=7.54m；h為泄洪建筑物表面的時(shí)均壓力 （kPa）；hv為汽化壓力（kPa），按照水溫20℃時(shí)的汽化壓力計(jì)，hv=0.24m；v為過(guò)流斷面的平均流速。

根據(jù)模型試驗(yàn)沿程實(shí)測(cè)動(dòng)水壓力資料，按式（1）計(jì)算整理得到溢流進(jìn)口段、豎井段典型部位的水流空化指數(shù)如表5。

表5 水流空化指數(shù)

續(xù)表5

由表5可知，溢流進(jìn)口段在洪水位2506.70m、設(shè)計(jì)水位2509.13m和校核水位2510.77m泄流工況下，平均流速8.5～10.0m/s，最小水流空化數(shù)分別為2.24，1.40，1.06，溢流堰段堰面沒(méi)有出現(xiàn)較大負(fù)壓，計(jì)算得到的水流空化數(shù)均大于1.0。

豎井段在洪水位2506.70m、設(shè)計(jì)水位2509.13m和校核水位2510.77m泄流工況下，最小水流空化數(shù)分別為3.94，1.33，0.96，根據(jù)SL253—2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，減壓模型水流空化數(shù)均滿足堰面局部邊坡發(fā)生空化指數(shù)的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）減壓狀態(tài)下，閘門全開(kāi)時(shí)，不同水位下，溢洪洞進(jìn)口為穩(wěn)定的溢流堰自由泄流，進(jìn)口及豎井水流流態(tài)較好，溢流堰跌坎及豎井環(huán)形摻氣坎后均能形成穩(wěn)定的摻氣空腔，豎井環(huán)形摻氣坎后四周空腔較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)工況下空腔長(zhǎng)度達(dá)25.6m，且減壓狀態(tài)下坎后的空腔比常壓情況下更長(zhǎng)，豎井水流摻氣充分。

（2）減壓狀態(tài)下閘門全開(kāi)，不同特征泄流工況下，溢流堰面、豎井內(nèi)的壓力分布合理。設(shè)計(jì)水位2209.13m及校核水位2510.77m時(shí)，溢流堰面局部負(fù)壓低于10kPa。

（3）溢流進(jìn)口段、豎井段在不同水位下，根據(jù)模型試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的水流空化數(shù)均滿足規(guī)范要求，不會(huì)發(fā)生空化水流。

［1］DL/T5166—2002，溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］安盛勛，王君利.水平旋流消能泄洪洞設(shè)計(jì)與研究［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［3］中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.黃河公伯峽水電站導(dǎo)流洞改建豎井——水平旋流洞綜合試驗(yàn)研究［R］.2003.

［4］中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.黃河公伯峽水電站豎井水平旋流泄洪洞水力學(xué)與結(jié)構(gòu)原型觀測(cè)試驗(yàn)分析報(bào)告［R］.2006.

［5］巨江，衛(wèi)勇.公伯峽水電站水平旋流泄洪洞試驗(yàn)研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004，23（5）：88-91.

［6］牛爭(zhēng)鳴.水平旋流泄洪洞的基本流態(tài)與影響因素［J］.水利水電科技進(jìn)展，2007，27（4）.

（責(zé)任編輯：尹健婷）

Study of a hydraulic model of the overflow surface spillway tunnel for one project in Xinjiang

GE Cai-lian
（XinJiang Investigation and Design Institute for Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

By establishing pressure relief model test of the overflow surface spillway tunnel，under the condition of，we made a observation and analysis to water flow regime and hydrodynamic water pressure and flow cavitation number of the entrance region and the shaft section of the tunnel spillway in the different water discharge.The results show that：the import was stabilized free overflow for overflow weir，the water flow regime was well at the import and the vertical shaft，the falling-sill of overflow weir and vertical shaft formed a stabilized aerated cavity after emplacing circular aeration；The distribution of the pressure is reasonable at the surface of overflow weir and in the vertical；The flow cavitation coefficient can satisfy the requirements of specification，and the phenomenon of cavitation flow will not happening.

water flow regime；dynamic water pressure；pressure relief model；flow cavitation number

TV135.2

：B

：1672-9900（2017）02-0062-03

2017-01-16

葛彩蓮（1985-），女（漢族），河北衡水人，工程師，主要從事水利設(shè)計(jì)工作，（Tel）15026005682。