水利工程論文-東河水庫溢洪道、輸水隧洞水工模型試驗(yàn)研究.doc

水利工程論文-東河水庫溢洪道、輸水隧洞水工模型試驗(yàn)研究摘要：東河水庫溢洪道、泄洪洞共用一個消力池，加之溢洪道、泄洪洞進(jìn)口交叉，原初步設(shè)計中擔(dān)心隧洞進(jìn)口受溢洪道進(jìn)水的影響，隧洞流量系數(shù)取值偏小，設(shè)計人員會同相關(guān)單位進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，修改了原設(shè)計的一些不足之處，為設(shè)計人員解除了疑慮。關(guān)鍵詞：溢洪道泄洪洞共用消力池水工模型試驗(yàn)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(jìn)出口轉(zhuǎn)角較大。輸水隧洞布置于右岸,由于樞紐區(qū)地形狹窄，溢洪道尾段、輸水隧洞出口共用一個消力池。設(shè)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36m，其中引渠段長156.13m,控制段長12m，陡槽段長130m?？v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(yàn)內(nèi)容1)上游水位與溢洪道、泄洪輸水隧洞下泄流量的關(guān)系；2)溢洪道、泄洪輸水隧洞陡槽內(nèi)水流流態(tài)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(jìn)口水流流態(tài)研究及進(jìn)水渠水流流態(tài)研究；5)底流消能及下游河床流態(tài)研究。3模型設(shè)計模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計,采用正態(tài)模型。經(jīng)計算比較模型最終選用比尺入L=40,相應(yīng)比尺參數(shù):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=1.854初步設(shè)計方案試驗(yàn)成果及分析溢洪道沿程布設(shè)15個測點(diǎn)，泄洪洞沿程布設(shè)13個測點(diǎn),以研究泄流時的壓力分布和空穴數(shù)?？昭〝?shù)k=(P+Pa-Pv)/(v2/2g)P動水壓力Pa大氣壓力Pv飽和蒸汽壓力k1.7一般不會發(fā)生氣蝕；1.7k0.3控制平整度0.3k0.12增設(shè)通氣槽；k0.12修改體型4.1水位流量關(guān)系曲線溢洪道水位流量關(guān)系表(流量系數(shù)0.3410.373)序號上游水位泄流量序號上游水位泄流量11.027.2104.23250.3(P=2%)21.550.1114.50274.531.9878.6(P=20%)125.0322.042.50111.9135.50373.953.0148.0146.0430.063.27168.8(P=5%)156.18451.6(P=0.2%)73.50187.6166.50489.583.85217.1(P=3.33%)176.80526.8(P=0.1%)94.0230.0187.0551泄洪洞水位流量關(guān)系表序號上游水位泄流量序號上游水位泄流量11066412.9172.1(P=2%)21195666(P=5%)514.8677.8(P=0.2%)31253705(P=3.33%)615.4880.9(P=0.1%)4.2試驗(yàn)成果小結(jié)溢洪道通過設(shè)計流量時,引水渠內(nèi)水流流態(tài)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(jìn)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(tài)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(tài)紊亂。泄洪洞通過設(shè)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(tài)均不理想(出現(xiàn)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(tài)進(jìn)一步惡化,閘墩尾部水流銜接較差(產(chǎn)生明顯的“V”形空腔)；閘門門槽處水流流態(tài)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(tài)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(dá)無壓隧洞頂部(出現(xiàn)明、滿流交替現(xiàn)象)；檢修閘門和工作閘門門槽處水流流態(tài)極不理想(出現(xiàn)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(cè)回流的影響，水深均超過了設(shè)計邊墻高度，并直接導(dǎo)致消力池消能效果極不理想。4.3原設(shè)計方案試驗(yàn)成果分析1)溢洪道通過不同頻率流量下的庫水位模型實(shí)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(shè)計要求；但泄洪洞在不同頻率庫水位下,流量的模型實(shí)測值均大于理論計算值，洞內(nèi)水流出現(xiàn)明、滿流交替現(xiàn)象,表明泄洪洞的泄流能力已經(jīng)超過設(shè)計過流能力，泄洪洞無壓段斷面不足。2)溢洪道泄槽內(nèi)水流在設(shè)計流量下和校核流量下雖然均產(chǎn)生沖擊波，但對水流下泄影響不大。此外,無論是設(shè)計流量,還是校核流量，水流在閘墩尾部產(chǎn)生“V”型空腔,分析其主要原因,在于水流在閘墩范圍內(nèi)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(xiàn)無壓段水深沿程增加的現(xiàn)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(jìn)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(jìn)水渠水流流態(tài)較為平順。5）隧洞是否泄洪消力池水深及流態(tài)變化不大。5修改方案試驗(yàn)成果及分析5.1改進(jìn)措施根據(jù)水工模型試驗(yàn)成果，對原設(shè)計方案進(jìn)行如下修改：1）將原設(shè)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(cè)回流影響,增加左側(cè)邊墻；3)上階段設(shè)計由于擔(dān)心泄洪輸水隧洞進(jìn)出口受溢洪道泄洪的影響流量系數(shù)取值偏小,導(dǎo)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+1350+194.14出現(xiàn)明、滿流交替現(xiàn)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(yùn)行(大于1742.28m)泄洪洞應(yīng)限制開度運(yùn)行,此時閘門最大開度為2m(孔口2.52.5m)。5.2試驗(yàn)成果小結(jié)1)溢洪道通過不同頻率流量下的庫水位模型實(shí)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(shè)計要求；2)溢洪道泄槽內(nèi)水流在設(shè)計流量下和校核流量下雖然均產(chǎn)生沖擊波，但對水流下泄影響不大。3）原設(shè)計水流在溢洪道閘墩尾部出現(xiàn)水流脫離邊界現(xiàn)象,并產(chǎn)生“V”形空腔,分析其主要原因,在于水流在閘墩范圍內(nèi)流速梯度變化過大，閘墩尾部體型不太合理。經(jīng)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(jīng)消力池下泄的水流均比較平順；隧洞泄洪對消力池流態(tài)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(jìn)水渠水流流態(tài)較為平順；進(jìn)口水流流態(tài)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(diǎn)編號里程（m）水深（m）壓力（m）流速（m）Fr（m）摻氣水深空穴數(shù)10-156.369.008.880.70.079.068420+0006.425.763.970.56.4317.430+004.54.894.765.530.84.918.3140+11.603.363.088.681.513.412.9350+012.402.863.08.951.692.912.7460+041.603.492.9610.161.743.572.7370+042.43.502.8810.181.743.582.1080+072.02.752.4812.962.502.871.2590+102.02.402.014.893.072.550.9100+141.602.686.6813.332.602.801.32110+142.403.8814.501.13120+148.104.014.17130+153.802.9613.08140+159.505.3211.69150+176.6011.95.53修改后泄洪洞水力要素表（P=0.1%,Q=61.8m3/s）測點(diǎn)編號里程（m）水深（m）壓力（m）流速（m）Fr（m）摻氣水深空穴數(shù)70+000.81.511.7216.174.21.800.7480+045.02.071.5611.792.622.261.3890+090.02.151.8811.382.482.331.53100+135.02.452.089.862.012.602.07110+168.32.312.210.592.222.471.82120+179.12.211.3211.062.382.381.53130+194.143.426.527.141.233.525.67溢洪道流量系數(shù)0.3410.373之間；泄洪洞(閘門開度2.0m)流量系數(shù)0.6650.706之間。6結(jié)語1）東河水庫通過模型試驗(yàn)較好地得出了溢洪道、泄洪洞水位流量關(guān)系曲線，為今后水庫運(yùn)行制定調(diào)度計劃提供了依據(jù)；2）通過模型試驗(yàn)對原設(shè)計不合理之