巴基斯坦卡洛特水電站導(dǎo)流洞水工模型試驗(yàn)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(jì)研究有限責(zé)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(duì)導(dǎo)流洞泄流能力的計(jì)算研究方法中，水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式法難以反映水流運(yùn)動(dòng)過程中的水利要素，而目前采用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程聯(lián)合求解也得不到準(zhǔn)確結(jié)果，只有采用相似理論的水工模型試驗(yàn)?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(yàn)，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(jì)算的泄流能力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)，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(jì)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(yàn)場地及流量供給條件考慮，導(dǎo)流洞水工模型試驗(yàn)采用正態(tài)整體模型，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[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(shí)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(gè)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(jī)玻璃制作完成。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 試驗(yàn)研究內(nèi)容

本次模型試驗(yàn)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(rèn)；③ 進(jìn)出口流態(tài)觀察；④ 沿程時(shí)均壓力分布；⑤ 出口消力池消能效果及流速分布。

3.2 試驗(yàn)工況

根據(jù)導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)及特征流量，制定本試驗(yàn)的試驗(yàn)工況及條件見表1。

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

4 試驗(yàn)分析

本次模型試驗(yàn)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(shí)均壓力及出口消力池的消能效果等。

4.1 泄流能力

在試驗(yàn)中，隨著庫水位從391.96 m升至432.20 m，3個(gè)導(dǎo)流洞泄流量由330 m3/s增加至6 740 m3/s。將試驗(yàn)測得的泄流能力值與數(shù)值計(jì)算值進(jìn)行對(duì)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(jì)算與模型對(duì)比示意Fig.2 Discharge comparison between calculation values and test results of diversion tunnels

當(dāng)導(dǎo)流洞下泄6 740 m3/s流量時(shí)，上游圍堰堰前水位約為432.05 m，較堰頂高程設(shè)計(jì)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(jì)值407.50 m約低1.0 m。此外，在動(dòng)床沖刷試驗(yàn)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(jì)值407.50 m約低0.6 m。以上試驗(yàn)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(hào)導(dǎo)流洞聯(lián)合下泄500～6 740 m3/s流量時(shí)，對(duì)導(dǎo)流進(jìn)口、洞內(nèi)及出口流態(tài)進(jìn)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(hào)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(dāng)導(dǎo)流洞下泄6 740 m3/s流量時(shí)，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(jìn)入導(dǎo)流洞引水渠時(shí)，右側(cè)存在一定程度的繞流，與1號(hào)導(dǎo)流洞前形成一股較強(qiáng)回流(順時(shí)針)，有間歇性淺渦形成，同時(shí)3號(hào)導(dǎo)流洞偶有吸氣漩渦形成，直徑最大達(dá)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(dòng)較強(qiáng)，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(dòng)明顯，對(duì)下游圍堰邊坡有一定沖刷。

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

表2 1～3號(hào)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(shí)均壓力

本次模型試驗(yàn)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(shí)均壓力，結(jié)果表明：各工況下，各測點(diǎn)時(shí)均壓力未出現(xiàn)負(fù)壓，同時(shí)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(dāng)導(dǎo)流洞下泄6 740 m3/s流量時(shí)，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(tái)范圍內(nèi)底部流速最大值約為14.44 m/s，位于1號(hào)導(dǎo)流洞出口中心線上(消力池尾坎后)，平臺(tái)末端底部流速最大值約6.58 m/s，位于1號(hào)導(dǎo)流洞出口中心線上；出口所對(duì)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(dāng)導(dǎo)流洞下泄流量為5 000～3 500 m3/s時(shí)，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(tái)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(hào)導(dǎo)流洞出口中心線上(消力池尾坎后)，平臺(tái)末端底部流速最大值約為4.40 m/s，位于1號(hào)導(dǎo)流洞出口中心線上；導(dǎo)流洞出口所對(duì)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(yàn)結(jié)果表明：導(dǎo)流洞泄流能力與計(jì)算結(jié)果一致，滿足要求，上下游圍堰頂高程設(shè)置合理；進(jìn)出口水流較平順，導(dǎo)流洞在下泄6 740 m3/s流量時(shí)，出口河道回水對(duì)下游圍堰邊坡有一定沖刷，應(yīng)加強(qiáng)圍堰下游邊坡防護(hù)；在各工況下，洞身段均未出現(xiàn)負(fù)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(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)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(gè)施工導(dǎo)流期間，導(dǎo)流洞運(yùn)行狀況良好，進(jìn)出口及洞身未見水流淘蝕破壞，進(jìn)一步證明了導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)方案合理。