东河水库溢洪道、输水隧洞水工模型试验研究
周荣 2006-02-15
摘要：东河水库溢洪道、泄洪洞共用一个消力池，加之溢洪道、泄洪洞进口交叉，原初步设计中担心隧洞进口受溢洪道进水的影响，隧洞流量系数取值偏小，设计人员会同相关单位进行水工模型试验，修改了原设计的一些不足之处，为设计人员解除了疑虑。
关键词：溢洪道 泄洪洞 共用消力池 水工模型试验
1 工程概况
东河水库为除险加固工程，坝址以上控制径流面积582.8km2，总库容4815.65万m3。输水泄洪隧洞布置在左岸则隧洞轴线较长，且进出口转角较大。输水隧洞布置于右岸， 由于枢纽区地形狭窄，溢洪道尾段、输水隧洞出口共用一个消力池。设计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547.8 m3/s，泄洪隧洞下泄流量59.9 m3/s。溢洪道全长333.13m，堰型为宽顶堰，净宽3×6m，其中引渠段长156.13m，控制段长12m，陡槽段长130m。纵坡分别为0.1、0.145。泄洪输水隧洞全长301.57 m，其中有压段为平坡，长76.90m;闸室段长6.5m，无压段长194.53m，坡度分别为0.02、0.266，断面均为城门洞形，宽度2.5m，有压段最大高度5.72米;无压段最大高度3.22米。
1)上游水位与溢洪道、泄洪输水隧洞下泄流量的关系;
2)溢洪道、泄洪输水隧洞陡槽内水流流态研究;
3)测定溢洪道和泄洪输水隧洞水面线、沿程压力分布及流速分布;
4)溢洪道、泄洪输水隧洞进口水流流态研究及进水渠水流流态研究;
5)底流消能及下游河床流态研究。
模型按重力相似准则设计，采用正态模型。经计算比较模型最终选用比
尺入L=40，相应比尺参数:
流量比尺：入q=入L5/2 =10119.29时间比尺：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
溢洪道沿程布设15个测点，泄洪洞沿程布设13个测点，以研究泄流时的压力分布和空穴数。
空穴数k=(P+Pa-Pv)/(v2/2g)
P —动水压力Pa—大气压力Pv—饱和蒸汽压力
k>1.7一般不会发生气蚀； 1.7>k>0.3 控制平整度
0.3>k>0.12增设通气槽； k<0.12 修改体型
溢洪道水位～流量关系表(流量系数0.341～0.373)
序号 上游水位 泄流量 序号 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
序号
上游水位
泄流量
序号
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～流量关系表
序号 上游水位 泄流量 序号 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%)
序号
上游水位
泄流量
序号
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%)
溢洪道通过设计流量时，引水渠内水流流态较为平顺，闸前水流流速水头较小，过堰水流在闸墩前即开始加速，通过闸墩时流速进一步增大，速度梯度变化较大，过闸后的水流形成明显的冲击波;加速后的水流在闸墩尾部已脱离边界，水流在墩尾形成“V”形空腔;闸门门槽处水流流态基本正常，溢洪道出口水流明显受到顶托，消力池消能效果较差，下游河道水流流态紊乱。泄洪洞通过设计流量时，过闸后的水流由于流速较大，已形成掺气水流，并且在纵坡i=0.02陡槽段沿程水深逐渐增加，局部地段水深接近无压隧洞顶部；检修闸门和工作闸门门槽处水流流态均不理想(出现掺气旋涡);泄洪隧洞出口处水流受到明显顶托，消力池消能效果较差。
溢洪道通过校核流量时，闸前水流较为平顺，闸后水流流态进一步恶化，闸墩尾部水流衔接较差(产生明显的 “V”形空腔);闸门门槽处水流流态较好;溢洪道出口水流明显受到顶托，消力池消能效果极差，下游河道水流流态极为紊乱。泄洪洞通过校核流量时，过闸后的水流由于流速较大，已形成明显的掺气水流，并且在纵坡i=0.02陡槽段沿程水深逐渐增加，局部地段水深已达无压隧洞顶部(出现明、满流交替现象);检修闸门和工作闸门门槽处水流流态极不理想(出现明显气泡);泄洪隧洞出口处水流受到明显顶托，消力池消能效果极差。溢洪道和泄洪洞出口处，由于受到消力池左侧回流的影响，水深均超过了设计边墙高度，并直接导致消力池消能效果极不理想。
1)溢洪道通过不同频率流量下的库水位模型实测值均小于理论计算值，表明溢洪道的泄流能力能够满足设计要求;但泄洪洞在不同频率库水位下，流量的模型实测值均大于理论计算值，洞内水流出现明、满流交替现象，表明泄洪洞的泄流能力已经超过设计过流能力，泄洪洞无压段断面不足。
2)溢洪道泄槽内水流在设计流量下和校核流量下虽然均产生冲击波，但对水流下泄影响不大。此外，无论是设计流量，还是校核流量，水流在闸墩尾部产生“V”型空腔，分析其主要原因，在于水流在闸墩范围内速度梯度变化过大，闸墩尾部体型不太合理，致使水流脱离边界。泄洪洞通过不同频率的流量时，均出现无压段水深沿程增加的现象。
3)消力池对下泄水流的约束能力太差，在不同频率流量下，进入消力池的水流均跃出消力池尾坎，直冲对岸(大流量时，翻越河道边墙)，消力池消能效果极不理想，同时下游河道水流极为紊乱，平面上呈“Z”形大幅摆动，水深沿河道横断面分布极不均匀。
4)溢洪道进水渠水流流态较为平顺。
5）隧洞是否泄洪消力池水深及流态变化不大。
根据水工模型试验成果，对原设计方案进行如下修改：
1）将原设计中出口闸墩下游端体型由圆形改为椭圆曲线；
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。为确保消力池不受左侧回流影响，增加左侧边墙;
3)上阶段设计由于担心泄洪输水隧洞进出口受溢洪道泄洪的影响流量系数取值偏小，导致泄洪洞在500年一遇以上洪水位（隧洞下泄流量77.8m3/s）时0+135—0+194.14出现明、满流交替现象。因隧洞超泄能力小，加之泄水建筑物泄流量已满足大坝防洪要求，故水库在高水位运行(大于1742.28m)泄洪洞应限制开度运行，此时闸门最大开度为2m(孔口2.5×2.5m)。
1)溢洪道通过不同频率流量下的库水位模型实测值均略小于理论计算值，表明溢洪道的泄流能力能够满足设计要求；
2)溢洪道泄槽内水流在设计流量下和校核流量下虽然均产生冲击波，但对水流下泄影响不大。
3）原设计水流在溢洪道闸墩尾部出现水流脱离边界现象，并产生“V”形空腔，分析其主要原因，在于水流在闸墩范围内流速梯度变化过大，闸墩尾部体型不太合理。经修改闸墩体型后“V”形空腔基本消失。
4)在不同频率流量下，修改后的消力池消能效果较好，经消力池下泄的水流均比较平顺；隧洞泄洪对消力池流态及水深影响不大；消力池后下游河道水流较为平顺，水深沿河道横断面分布比较均匀。
5)溢洪道进水渠水流流态较为平顺；进口水流流态对上游坝脚无不利影响。
修改后溢洪道水力要素表（P=0.1%，Q=526.8 m3/s）
测点
编号
里程
（m）
水深
（m）
压力
（m）
流速
（m）
Fr
（m）
掺气
水深
空穴数
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=61.8 m3/s）
测点
编号
里程
（m）
水深
（m）
压力
（m）
流速
（m）
Fr
（m）
掺气
水深
空穴数
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
溢洪道流量系数0.341～0.373之间;泄洪洞(闸门开度2.0m)流量系数0.665～0.706之间。
1） 东河水库通过模型试验较好地得出了溢洪道、泄洪洞水位流量关系曲线，为今后水库运行制定调度计划提供了依据；
2） 通过模型试验对原设计不合理之处进行了修改，为下阶段工程设计打下了基础；
3） 溢洪道、泄洪输水隧洞进出口均交叉，原设计过程中担心泄洪时会相互影响，从而降低泄洪建筑物泄流能力；两建筑物共用一个消力池，消力池体型为“五”边形，消力池消能效果较差。通过模型试验彻底打消了设计人员的疑虑，为今后在狭窄河谷修建水工建筑物提供了很好的实例；
4） 水工模型试验虽能反映一定的实际，但今后工程完工投入运行后应加强观测，并对试验参数进行修改，总结经验为类似工程服务。
