周正旭 鄭開發(fā) 潘俊青 王久晟

（1梅山水電站 237300 2安徽省水利科學(xué)研究院 安徽省水利水資源重點(diǎn)試驗(yàn)室 蚌埠 233000）

1 概述

梅山水庫(kù)新建泄洪隧洞（以下簡(jiǎn)稱新洞）位于左岸山體，進(jìn)口距左壩頭約300m，出口位于廠房下游約70m，包括進(jìn)、出口明渠隧洞長(zhǎng)約456m，其中洞身長(zhǎng)約389m。洞型為深式有壓短進(jìn)口的明流無(wú)壓洞。進(jìn)口底檻高程110m，設(shè)置12m×8m弧形工作閘門及12m×9.6m平板事故閘門各一扇。洞身段為圓拱直墻式斷面，初擬洞身標(biāo)準(zhǔn)斷面底寬9.0m、高11.5m，底坡為0.035，出口處高程為67.0m，采用底流消能。為優(yōu)化新洞體型及各部位尺寸，測(cè)定洞底及側(cè)墻沿線壓力（動(dòng)水壓力、脈動(dòng)壓力）分布等，提出易發(fā)生空蝕的部位、范圍及改進(jìn)措施，特進(jìn)行了新洞單體模型試驗(yàn)，模型比尺1∶30。

2 新洞細(xì)部尺寸設(shè)計(jì)

2.1 有壓短洞

梅山水庫(kù)新洞為有壓短洞后接無(wú)壓洞，屬“龍?zhí)ь^”式泄洪洞，根據(jù)我國(guó)大量工程建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)成果，設(shè)置壓板的進(jìn)口有壓短管推薦的體型參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)比較見表1。

由表1可知，有壓短洞設(shè)計(jì)體型與推薦體型基本一致。大量試驗(yàn)資料表明，采用Ⅱ型門槽，其初生空化數(shù)Kc=0.4～0.6；有壓短洞壓板段斜率為1∶4，H/h1=3～12時(shí)，新洞的流量系數(shù)可近似取常數(shù)0.862。

2.2 豎曲線

2.2.1 計(jì)算方法一

“龍?zhí)ь^”式泄洪洞在進(jìn)口之后，用射流的拋物線段，斜坡段及反弧段與較低的洞身相連接，拋物線段的底板應(yīng)符合水流運(yùn)動(dòng)軌跡，以防閘門在啟閉、運(yùn)用中水流脫壁產(chǎn)生過(guò)大的負(fù)壓和空蝕破壞。

為避免水流脫離底部產(chǎn)生氣蝕，應(yīng)使水流平順，豎曲線一般選用拋物線。根據(jù)大量試驗(yàn)資料，推薦的豎曲線為：

式中：C——安全系數(shù)，1.3～1.5，此取1.4；

G——初始速度，此處取9.8m2/s；

V——斜坡段起始斷面流速，m/s；

x、y——豎曲線的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)，m。

孔口最大流量規(guī)劃值為1826m3/s，相應(yīng)的平均流速v=19.02m/s，按式（1）計(jì)算后所得的底板豎曲線方程為x2=100y。

2.2.2 計(jì)算方法二

為適應(yīng)不同開度并保持較大的正壓，當(dāng)起始流速為水平面時(shí)，根據(jù)自由射流軌跡方程，并給出一定的安全值，可得出拋物線底板方程為：

式中：H——底板X軸以上的作用水頭，m；

M——系數(shù)，一般取1.2～1.45，此處取均值1.325；

X，Y——橫、縱坐標(biāo)。

校核洪水時(shí)庫(kù)水位為139.93m，按式（2）計(jì)算后所得的底板豎曲線方程為X2=159Y。

設(shè)計(jì)選用的豎曲線高程為X2=200Y，曲率小于用以上公式計(jì)算出的推薦拋物線。

2.3 斜坡段、反弧段及下平洞段

斜坡段為拋物線段與反弧段間的連接部分，起穩(wěn)定流態(tài)的作用。反弧段是水流轉(zhuǎn)向的部分，由于體型變化和離心力的作用，流態(tài)復(fù)雜，壓力變化大，脈動(dòng)強(qiáng)烈，致使該部位及下游范圍內(nèi)易發(fā)生空蝕。斜坡段坡度越陡，反弧半徑越小，壓力變化就越劇烈。因而拋物線段不宜過(guò)大，斜坡段不宜過(guò)陡，反弧半徑不宜過(guò)小，以使沿程壓力變化較平緩，從而滿足高速水流對(duì)體型的要求。體型設(shè)計(jì)是否合理可根據(jù)單體試驗(yàn)成果來(lái)判定。

本工程斜坡段坡度定位1∶2；斜坡段與下平洞段之間的反弧段反弧半徑為50m，不小于5倍洞寬；考慮施工因素，下平洞段底坡選定為0。

3 泄流能力試驗(yàn)

校核洪水、設(shè)計(jì)洪水時(shí)新洞泄量實(shí)測(cè)值較理論計(jì)算值小28m3/s、16m3/s，分別較計(jì)算值少1.53%和0.93%，水工模型試驗(yàn)流量允許誤差在3%之內(nèi)，因而認(rèn)為新洞泄流能力基本滿足要求。

4 洞內(nèi)流態(tài)及流速分布

4.1 洞內(nèi)流態(tài)

校核洪水與設(shè)計(jì)洪水時(shí)新洞引渠主流略偏左側(cè)，汛限水位時(shí)進(jìn)流均勻平順，各工況門井前1～5m范圍均出現(xiàn)逆時(shí)針?lè)较虻奈鼩饴┒沸郎u，已完全吸氣，漏斗尾部已伸入有壓洞內(nèi)。最大漩渦直徑約達(dá)2m，環(huán)向流速約為1.5m/s。有壓洞內(nèi)總體流態(tài)平順，受吸氣漏斗旋渦的影響，洞內(nèi)偶爾有氣泡出現(xiàn)，在出口處有氣泡溢出。

無(wú)壓洞0+005.700～0+035.631段洞寬由12m縮至9m，水流進(jìn)入無(wú)壓洞后，受邊墻收縮的影響，產(chǎn)生了微弱沖擊波，沖擊波形成的水冠最高點(diǎn)出現(xiàn)在0+054斷面，經(jīng)反弧段洞整后，沖擊波已基本消失。無(wú)壓洞內(nèi)水流基本對(duì)稱均勻。

由于出口流速過(guò)大，原布置方案中1m深消力池內(nèi)未形成水躍，消力池尾坎起到挑流鼻坎的作用，挑流水舌貼下游水面拋出，各工況最大挑距均在50～70m左右，水舌落點(diǎn)平面呈扇形。

4.2 洞內(nèi)流速分布

以校核洪水為例描述洞內(nèi)流速分布。此工況有壓洞出口流速分布均勻，平均流速為18.7m/s，受邊墻收縮段、豎曲線段及洞身邊壁的影響，其后的各斷面流速分布橫向呈現(xiàn)兩側(cè)小、中間大，縱向呈現(xiàn)底部小、表面大；其中底部最大流速26.60m/s，出現(xiàn)在反弧段末端，較對(duì)應(yīng)的表面流速小20%，有利于防止底板的空蝕破壞。由于0+106.400～0+387.000段下平洞洞內(nèi)發(fā)生的是C2型壅水曲線，出口0+387.000處的平均流速25.81m/s，小于反弧段末0+106.400處的平均流速28.34m/s。無(wú)壓洞沿程流速分布基本對(duì)稱、平順，流速分布較為理想。

5 洞高驗(yàn)算

有壓洞出流受邊墻收縮的影響產(chǎn)生了沖擊波，沖擊波最大影響斷面為0+054，各工況下該斷面水面橫向中間高、兩側(cè)低，校核洪水時(shí)中心線水深達(dá)8.85m，兩側(cè)墻水深分別為7.10m、6.90m，橫向變幅達(dá)1.95m，除該斷面之外，其余斷面橫向變幅均未超過(guò)0.5m。0+106.400～0+387.000段下平洞洞內(nèi)邊墻最大水深為7.3m。

無(wú)壓洞內(nèi)的流速很大，一般都要考慮此時(shí)因水流摻氣而增加的水深，以得出設(shè)計(jì)隧洞的高度。隧洞摻氣水流不同于溢流壩和陡槽的摻氣水流，其特點(diǎn)是隧洞的底坡較緩，水深較大，沿程壅高。

根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算選取斷面的摻氣水深，校核洪水時(shí)各點(diǎn)摻氣水深最大值均不大于0.72m。計(jì)入摻氣水深后無(wú)壓洞直段的最大水深為7.86m，對(duì)于高流速的城門洞型無(wú)壓洞，要求洞內(nèi)通過(guò)最大流量時(shí)，摻氣水面線不超出直墻，摻氣水面以上的凈空一般為隧洞斷面的15%～25%，無(wú)壓洞直段的直墻高度降為8m較為經(jīng)濟(jì)。

6 防蝕驗(yàn)算

6.1 有壓短洞

各主要工況時(shí)有壓短洞內(nèi)左、右側(cè)墻對(duì)稱點(diǎn)壓力差值不大，說(shuō)明有壓洞內(nèi)水流較為平順。各工況左、右側(cè)墻對(duì)稱各點(diǎn)有壓力差值多在0.75m水柱以內(nèi)，對(duì)稱性較好。

有壓洞出口頂部各工況均未出現(xiàn)負(fù)壓，校核洪水、設(shè)計(jì)洪水、汛限水位時(shí)該點(diǎn)的壓力值分別為2.55m、2.10m、0.70m水柱，對(duì)應(yīng)的空穴數(shù)分別為0.70、0.74、1.67。該點(diǎn)在有壓洞內(nèi)壓力值最小，斷面平均流速最大，因而為最易發(fā)生空蝕破壞的部位之一。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)與推薦體型參數(shù)的比較

除上述點(diǎn)外，新洞事故門槽也易發(fā)生空蝕，試驗(yàn)中在門槽內(nèi)114.0m高程設(shè)置了壓力測(cè)點(diǎn)，校核洪水、設(shè)計(jì)洪水、汛限水位時(shí)實(shí)測(cè)的最小壓力值分別為10.90m、10.55m、3.08m水柱，對(duì)應(yīng)的空穴數(shù)分別為1.61、1.74、2.84。

6.2 無(wú)壓洞

各工況無(wú)壓洞底板和側(cè)墻均未出現(xiàn)負(fù)壓。各工況底板最小壓力值均出現(xiàn)在豎曲線中部，樁號(hào)為0+35.631。校核洪水、設(shè)計(jì)洪水、汛限水位時(shí)該點(diǎn)的壓力值分別為2.80m、3.0m、4.60m水柱。各工況側(cè)墻最小壓力值均出現(xiàn)在下平洞段，樁號(hào)為0+199.943，校核洪水、設(shè)計(jì)洪水、汛限水位時(shí)該點(diǎn)的壓力值分別為1.55m、1.20m、0.55m水柱。

無(wú)壓洞內(nèi)最大壓力值均出現(xiàn)在反弧段底板，校核洪水、設(shè)計(jì)洪水、汛限水位時(shí)，該點(diǎn)的壓力值分別為17.0m、16.0m、9.65m水柱，其后的下平洞段壓力值變幅不大。選取校核洪水時(shí)的最小壓力值及實(shí)測(cè)平均流速，計(jì)算無(wú)壓洞低壓區(qū)易空化部位的空穴數(shù)，最小值分別為0.56、0.30。

有壓洞及無(wú)壓洞內(nèi)易出現(xiàn)空蝕的部位經(jīng)驗(yàn)算發(fā)生空蝕破壞的可能性很小。

7 新洞門井水位與庫(kù)水位的關(guān)系

根據(jù)實(shí)測(cè)資料擬合的門井水位計(jì)算公式為：

式中：H門井——門井水位，m；

H庫(kù)——庫(kù)水位，m。

8 新洞進(jìn)口消渦試驗(yàn)

新洞進(jìn)口各工況門井前1～5m范圍均出現(xiàn)吸氣漏斗旋渦，漏斗尾部已伸入有壓洞內(nèi)，需經(jīng)過(guò)修改試驗(yàn)予以消除。

方案一：在事故門槽后增加10m平洞，將有壓段加長(zhǎng)；

方案四：為進(jìn)一步改善入流條件，清除右側(cè)山體；

方案五：在洞前增加截面0.25m×0.25m、凈間距0.5m的消渦梁構(gòu)成的消渦格柵；

方案六：在洞前增加截面0.5m×0.5m、凈間距0.8m的消渦梁構(gòu)成的消渦格柵。

經(jīng)試驗(yàn)，方案一～方案四均未消除新洞進(jìn)口前的吸氣漏斗旋渦，方案五、六均能有效地防止吸氣現(xiàn)象的發(fā)生。其中方案五消渦梁凈間距不得大于0.5m，方案六消渦梁凈間距不得大于0.8m；消渦格柵橫向?qū)挾炔恍∮?0m，順?biāo)飨虿恍∮?m。消渦格柵平面布置決定了消渦效果，梁截面高度可根據(jù)構(gòu)造等要求確定。另外，建議采用隨水位上下浮動(dòng)的消渦格柵。

9 新洞出口段修改試驗(yàn)

由于新洞出口距發(fā)電廠房?jī)H71.5m，距升壓站僅25m，因而在選擇消能防沖方案時(shí)既要減少出流對(duì)河床的沖刷、減小新洞運(yùn)行時(shí)對(duì)廠房發(fā)電的影響，又要避免出口水流霧化影響升壓站的正常工作。

方案一：原布置方案，在0+387.000～0+428.900段設(shè)深1m的消力池；

方案二：將方案一中0+428.900處的尾坎高程降至65.5m；

方案三：在0+387.000段后增設(shè)深10m的消力池，池長(zhǎng)60m，尾坎4m；

方案四：在0+387.000段后增設(shè)深10m的消力池，池長(zhǎng)60m，尾坎6m；

方案五：將方案一中0+387.000～0+428.900段的高程改為66.0m。

試驗(yàn)成果表明，正常運(yùn)用工況方案一、二兩個(gè)方案均不能形成水躍，尾檻起挑流鼻坎的作用。在出口采用底流消能，消力池深度10m、尾坎高6m、流量小于1000m3/s時(shí)方能形成穩(wěn)定水躍，流量超過(guò)1000m3/s時(shí)，在尾坎末端形成挑流。方案五新洞出流受下游水流的頂托稍稍躍出水面，基本貼下游水面下泄。

10 結(jié)語(yǔ)

新洞進(jìn)口的吸氣漏斗旋渦可采用截面尺寸為0.5m×0.5m、凈間距0.8m或截面尺寸為0.25m×0.25m、凈間距0.5m的消渦梁構(gòu)成的浮箱格柵予以消除，其中格柵長(zhǎng)不小于20m，寬不小于5m，并需保證有足夠的浮力和保證浮箱格柵隨水位升降。

新洞有壓洞內(nèi)除偶有氣泡溢出外，總體水流均勻平順；無(wú)壓洞內(nèi)水流經(jīng)邊墻收縮段、豎曲線段、洞身邊壁等共同作用，在0+030段以下流速分布均呈現(xiàn)橫向兩側(cè)小、中間大，縱向底部小、表面大，有利于底板避免空蝕破壞。水流進(jìn)入無(wú)壓洞后，受邊墻收縮的影響，在豎曲線段出現(xiàn)微弱的沖擊波，沖擊波引起0+054斷面出現(xiàn)較大的水面變幅，但影響范圍不大，經(jīng)反弧段調(diào)整后，直洞內(nèi)沖擊波已基本消失。校核洪水時(shí)無(wú)壓洞內(nèi)計(jì)入摻氣水深后總水深值0+054斷面中心線處為 8.01m、0+106.400～0+387.000段直洞最大水深為7.86m，無(wú)壓洞沿程邊墻及拱頂高程滿足要求，直墻高度可由原設(shè)計(jì)的8.6m減至8m。

各工況新洞有壓洞內(nèi)出口頂部的壓力值均最小，空穴數(shù)分別為0.70、0.74；事故門槽校核洪水、設(shè)計(jì)洪水時(shí)的空穴數(shù)分別為1.61、1.74；無(wú)壓洞內(nèi)處的空穴數(shù)分別為0.56、0.66。以上部位發(fā)生空蝕破壞的可能性均較小。

新洞出口段采用底流消能工程量過(guò)大，可將原布置方案0+387.000～0+428.900加高至66.0m高程，此時(shí)新洞出流平拋至下游，受下游水流的頂托，基本貼水面流動(dòng)，消能效果最佳，對(duì)電廠運(yùn)行的影響最小