韓力球， 孫東坡， 趙旭潤, 董明家

(1.華北水利水電大學(xué) 水力學(xué)及河流研究所,河南 鄭州 450045;2.中國電建集團(tuán) 北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024)

某抽水蓄能電站攔沙庫泄洪排沙系統(tǒng)的水力特性研究

韓力球1， 孫東坡1， 趙旭潤2, 董明家1

(1.華北水利水電大學(xué) 水力學(xué)及河流研究所,河南 鄭州 450045;2.中國電建集團(tuán) 北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024)

以某抽水蓄能電站下水庫泄洪排沙洞為研究對象，利用相似理論建立了比尺模型,該模型通過了河道阻力試驗驗證。試驗中，觀測了不同水力條件下的洞內(nèi)水流流態(tài)、水面線、流速、消能狀況以及下游護(hù)岸沖刷情況。試驗觀測結(jié)果表明，泄洪排沙洞進(jìn)口流態(tài)平順、泄流能力及隧洞段流態(tài)均滿足設(shè)計要求，但陡坡擴(kuò)散段以下的急流涵洞段出現(xiàn)水躍悶洞、明渠深度不足、出口擴(kuò)散段不能集中拉沙等問題。基于調(diào)整縱坡、協(xié)調(diào)各段輸水能力、抑制水躍強(qiáng)度的修改思路，進(jìn)行了優(yōu)化修改試驗。經(jīng)多次比對試驗，最終確定了優(yōu)化修改方案，解決了涵洞段與明渠段水流銜接的協(xié)調(diào)性。修改方案較合理地控制了洞內(nèi)水深，消除了明流洞水躍壅塞現(xiàn)象，改善了洞內(nèi)流態(tài)；同時，增設(shè)擴(kuò)散段輸沙槽，有效提高了小流量集中拉沙的能力，滿足了不同水流條件下的泄流安全要求。該研究成果對類似工程設(shè)計與安全運行具有一定的參考價值。

明流洞；流態(tài)；水躍；悶洞；流速分布；河床沖刷

1 工程概況

某抽水蓄能電站下水庫地處灤河主河道，有四大泄水建筑物：攔沙庫泄洪排沙洞、攔沙庫溢洪道、蓄能庫泄洪放空洞和蓄能專用庫溢洪道。由于泄水通道密集、泄洪組合多樣，以及這些建筑物間的相互影響，特別是攔沙庫泄洪排沙洞，它的洞線長，地理環(huán)境復(fù)雜，不同運用方式的結(jié)果差異較大，其泄流能力、明流洞流態(tài)及消能效果、出口銜接及防沖等一系列水力學(xué)問題需要進(jìn)行研究論證[1]。

攔沙庫泄洪排沙系統(tǒng)兼有放空攔沙庫及泄洪排沙功能，其總體結(jié)構(gòu)由6部分組成：進(jìn)口段、明流隧洞段[2]、陡坡擴(kuò)散段、明流涵洞段、消力池及梯形明渠段[3]。該系統(tǒng)采用短有壓進(jìn)口接明流泄洪洞的形式，進(jìn)口(0+000)底板高程1 024.0 m。泄洪排沙洞全長2 640.0 m，其中有壓進(jìn)水塔段長20.0 m，工作閘門尺寸為4.0 m×4.5 m(寬×高)；無壓明流隧洞斷面為城門洞型，寬×高為5.0 m×6.5 m，隧洞前段長1 985.0 m，底坡坡降i=0.012 4；下接30 m陡坡擴(kuò)散段，底寬由5.0 m擴(kuò)至6.0 m，底坡坡降i=0.220 0；再接292.0 m城門洞型涵洞段，底坡坡降i=0.009 0，底寬6.0 m，涵洞高6.2 m。之后接長25.0 m、寬6.0 m、深3.1 m的平坡消力池，經(jīng)反坡升坎與下游梯形明渠銜接，明渠段長210.0 m、底寬6.0 m、邊坡系數(shù)為1.8，末端高程1 013.7 m。然后是與下游河床銜接的平坡擴(kuò)散段，末端設(shè)有防沖齒墻。系統(tǒng)總體布置如平面圖1和剖面圖2所示。出口河道防護(hù)堤采用混凝土板護(hù)坡，坡腳拋石防護(hù)，迎水面邊坡1∶1.8，背水面邊坡1∶2。

本文擬通過正態(tài)水工模型試驗研究泄洪排沙系統(tǒng)的水力特性[4]，為了真實地反映出口流態(tài)，下游河道采用動床模擬[5-6]。主要研究內(nèi)容有泄洪排沙洞的泄流能力、進(jìn)口流態(tài)、無壓洞身段水面線、擴(kuò)散段及下游出口流態(tài)[7-8]；測量不同洪水條件的洞身段和下游擴(kuò)散段流速、水深及邊岸沖刷深度；分析系統(tǒng)流態(tài)及其存在的問題，提出優(yōu)化修改方案[9-10]。

圖2 泄洪排沙洞縱剖面(單位：m)

2 水工模型試驗

2.1 試驗工況

泄水建筑物的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇洪水，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2 000年一遇洪水；根據(jù)試驗研究任務(wù)，確定主要試驗工況為設(shè)計洪水、校核洪水以及常遇洪水。試驗工況主要參數(shù)見表1。

表1 試驗工況參數(shù)

2.2 模型設(shè)計

2.2.1 水流運動相似準(zhǔn)則

依據(jù)滿足主導(dǎo)力相似的原則，在水流相似方面應(yīng)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計模型，并滿足紊動阻力相似要求，即模型設(shè)計滿足下列條件：

水流重力相似條件：

(1)

水流紊動阻力相似條件：

(2)

式中：λ為比尺；下角標(biāo)U、J、n分別表示垂線平均流速、比降和糙率；下角標(biāo)L、H分別表示水平與鉛錘尺度。

2.2.2 泥沙起動相似準(zhǔn)則

下游河道河床多為卵礫石，以沖刷為主；按泥沙起動相似準(zhǔn)則選擇模型床沙。模型設(shè)計滿足下列條件：

泥沙起動相似條件：

λUc=λU。

(3)

松散床沙起動流速為：

(4)

式中：Uc為床沙起動流速；h為水深；γs、γ分別為泥沙和水流的密度；g為重力加速度；m為指數(shù)；D為床沙粒徑。大量泥沙起動的水槽試驗表明，m取7較為合適[11]。

(5)

若選擇模型床沙為天然沙，則λD=λL。

按照水利水電工程模型試驗規(guī)程中關(guān)于模型比尺設(shè)計的要求[12]，經(jīng)比選后確定：模型幾何比尺λL=55，糙率比尺λn=1.95；模型床沙選擇天然沙，粒徑比尺λD=55[13]。

經(jīng)河道現(xiàn)場查勘取樣得床沙中值粒徑D50=35～55 mm，則模型沙中值粒徑D50=0.64～1.00 mm。

2.3 模型制作與量測斷面布置

1)根據(jù)阻力相似要求，泄洪排沙洞進(jìn)口、閘室、閘墩、漸變段洞身、消力池及明渠段等部位均采用有機(jī)玻璃制作；考慮到無壓洞洞身的通氣狀態(tài)，試驗時明流洞段采用開敞式觀測。出口擴(kuò)散段采用混凝土精細(xì)預(yù)制并進(jìn)行涂臘光滑處理，滿足糙率相似要求。排沙洞根據(jù)平面布置及規(guī)程[12]精度要求進(jìn)行安裝。

2)下游河道地形根據(jù)河道原始地形圖，用55 m間隔(原型)的河道大斷面進(jìn)行控制，鋪設(shè)模型沙，局部地形變化較大處進(jìn)行加密控制[14]。泄洪排沙系統(tǒng)的量測斷面布設(shè)如圖1所示。

2.4 下游河道模型阻力率定

為了檢驗?zāi)Ｐ拖掠蝿哟埠拥赖奈蓜幼枇ο嗨埔?，根?jù)提供的下游河道各特征斷面水位、流量關(guān)系，經(jīng)過模型放水復(fù)核，河道沿程水面線最大誤差不超過0.11 m。這表明，動床正態(tài)模型能夠復(fù)演原型水流特性，滿足模型河道阻力(糙率)相似的要求，下游河道水位率定情況見表2。

表2 下游河道水位率定(200年一遇洪水)情況

3 試驗成果及分析

3.1 過流能力與進(jìn)口流態(tài)

對泄洪排沙洞進(jìn)行了逐級水位的流量量測與進(jìn)口流態(tài)觀測。當(dāng)庫水位低于1 053.00 m時(包括常遇洪水Q=100 m3/s，水位1 052.00 m)，排沙洞為無壓進(jìn)流，流態(tài)平穩(wěn)，進(jìn)流順暢。水位超過1 053.00 m以后，排沙洞轉(zhuǎn)為有壓進(jìn)流。設(shè)計洪水位時，進(jìn)口流態(tài)整體平穩(wěn)，進(jìn)流順暢；左岸雖有間歇出現(xiàn)的立軸漩渦游移(原型持續(xù)時間1～3 min)，但強(qiáng)度很低，如圖3所示。洞口前的實測流速沿垂線分布如圖4所示，圖中顯示進(jìn)流比較平順。

圖3 泄洪排沙洞進(jìn)口流態(tài)

圖4 泄洪排沙洞前流速沿垂線分布

模型實測排沙洞進(jìn)口水位-流量關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出，實際泄洪排沙洞的過流能力比設(shè)計值要略高些：超泄率ΔQ/Q在設(shè)計洪水位時約為5%，在校核洪水位時約為6%，表明排沙洞過流能力滿足設(shè)計要求。

圖5 泄洪排沙洞水位-流量關(guān)系

3.2 陡坡前隧洞段流態(tài)

根據(jù)模型試驗觀測結(jié)果，水流過收縮斷面后在隧洞內(nèi)呈現(xiàn)急流流態(tài)，為c型壅水曲線。隨著庫水位的升高、流量的增加，隧洞段水深也相應(yīng)增加[15]。當(dāng)庫水位增至設(shè)計洪水位時，隧洞內(nèi)最大水深約為4.95 m；當(dāng)庫水位增至校核洪水位時，隧洞內(nèi)最大水深約為5.15 m；水深沿程分布情況如圖6所示，洞內(nèi)凈空余幅均滿足規(guī)范要求[12]。

(a) 泄洪排沙洞(隧洞段)(樁號0+17.5—0+586)

(b) 隧洞段(樁號0+586—1+986)

圖6中洞內(nèi)流速沿程變化的特點是：從收縮斷面開始，流速沿程逐漸降低，至樁號0+585(樁號零點為泄洪排沙洞進(jìn)口)附近水流接近均勻流動。此后水深、流速沿程變化不大；直至樁號1+800以后，受陡坡擴(kuò)散段降水的影響，水深減小、流速相應(yīng)增加。設(shè)計洪水位時，隧洞內(nèi)流速最大值約13.71 m/s，校核洪水位時，隧洞內(nèi)流速最大值約14.73 m/s，隧洞流速沿程分布如圖7所示。

(a) 隧洞段(樁號0+17.5—0+586)

(b) 隧洞段(樁號0+586—1+950)

3.3 陡坡后涵洞段及明渠段流態(tài)

在樁號2+021以下受設(shè)計的反坡升坎消力池的影響，在各工況泄流時，洞身段均出現(xiàn)水躍，最大躍后水深達(dá)6.0 m以上，出現(xiàn)洞內(nèi)悶頂，流態(tài)如圖8所示。由于無壓涵洞段出現(xiàn)水躍，下游梯形明渠底坡又很小，故入渠水頭較高。在設(shè)計洪水和校核洪水時，明渠水深4.7～5.5 m，渠道深度不足，個別渠段有漫溢現(xiàn)象[16]。明渠末端擴(kuò)散段水流以涌浪進(jìn)入河道，如圖9所示。在小流量時擴(kuò)散段水流寬淺分散，存在拉沙無力的問題。

圖8 設(shè)計洪水流態(tài)

圖9 設(shè)計洪水明渠擴(kuò)散段流態(tài)

4 方案修訂及其試驗結(jié)果

4.1 原設(shè)計方案中的問題

原設(shè)計方案中出現(xiàn)的問題是，在泄洪情況下洞內(nèi)存在水躍。主要制約因素：一是在樁號2+249處有一過渠橋梁，橋梁底板高程限制了洞頂高程；二是消力池末端水位(入渠水頭)偏高[17]。要想解決原方案中的問題，必須基于樁號2+249處的洞頂高程的限制，設(shè)法調(diào)整各段縱坡與斷面尺寸；降低入渠水頭，消除或減弱水躍強(qiáng)度。同時還要考慮小流量時也能順利排沙，減少渠道淤積，盡可能在有利于輸水的同時也有利于排沙，這是一個多因素制約的問題。

4.2 修改方案及其試驗結(jié)果

基于統(tǒng)籌考慮，經(jīng)過多次修改試驗對比，獲得比較好的修改方案：①提高涵洞段底坡坡降(i=0.011 0)和底寬(7 m)；②改消力池升坎為反坡過渡段；③增大梯形明渠段底坡坡降(i=0.003 0)和底寬(7 m)；④在末端擴(kuò)散段修建一條底寬7 m的排沙槽直通河道。修改前后的模型實測水力要素對比見表3。

表3 試驗方案修改前后的水力要素對比

由表3可以看出，修改方案后試驗水流明顯穩(wěn)定[18]。

設(shè)計和校核流量下，洞內(nèi)水流湍急，流態(tài)平穩(wěn)，水躍均出洞，表現(xiàn)為涌浪形式，其最大水深為3.74 m，均未達(dá)到直墻高度，凈空余幅均滿足設(shè)計規(guī)范[12]的要求，如圖10—11所示。

圖10 設(shè)計流量時平坡擴(kuò)散段涌浪流態(tài)

圖11 校核流量時洞身流態(tài)

在Q=100 m3/s時，水躍進(jìn)入擴(kuò)散式平坡段(2+292斷面)；涵洞出口斷面水深5.0 m，滿足凈空余幅15%的要求。方案修改后，過渠橋梁軸線斷面的底板高程為1 012.20 m；相應(yīng)涵洞出口斷面的底板高程為1 011.67 m。在泄流過程中，這兩個斷面都要經(jīng)歷不同的流態(tài)。在經(jīng)歷急流時，水深均小于臨界水深，水淺流急；而在進(jìn)入緩流時，則水深流緩；水躍未到時水深大，水躍過后水深變小，水位呈二次曲線變化[19]。經(jīng)過修改后的水躍強(qiáng)度降低，解決了悶洞問題，如圖12所示。梯形明渠段水流運行平穩(wěn)，深度也滿足要求，如圖13所示。

圖12 水躍發(fā)生處流態(tài)

在設(shè)計洪水與校核洪水情況下，明渠擴(kuò)散段水流沖入河道后，形成帶狀涌浪，沿程摩擦消能，流速衰減[20]，主流流速及位置如圖14所示，并見表4。實測主流離邊岸尚有一段距離，邊岸流速一般為0.5～1.5 m/s；水流出擴(kuò)散段后，護(hù)坦末端形成局部沖刷坑，最大沖刷集中在拉沙槽出口以下，最大深度5.0～6.0 m，其范圍如圖15所示。同時在擴(kuò)散段右側(cè)形成近岸沖刷帶，一般沖刷帶寬5.0～8.0 m,范圍如圖15所示，沖刷深度一般在1.4～1.8 m，沿程呈波狀變化，沖刷最深達(dá)2.0 m，對右側(cè)護(hù)岸工程影響不大。在小流量時水流集中在擴(kuò)散段排沙槽內(nèi)，動量增強(qiáng)，槽內(nèi)流速提高25%，這將會起到更強(qiáng)的拉沙作用，如圖15所示。

圖13 設(shè)計流量時明渠段水深沿程變化

圖14 校核洪水時出口擴(kuò)散段后主流位置

圖15 Q=100 m3/s流量時擴(kuò)散段出口

樁號校核洪水(Q=266m3/s)距右堤距離/m流速/(m/s)設(shè)計洪水(Q=246m3/s)距右堤距離/m流速/(m/s)常遇洪水(Q=100m3/s)距右堤距離/m流速/(m/s)2+537147.44147.19144.232+559167.63167.56166.082+581137.56146.53226.382+603146.05146.53355.27

5 結(jié)語

1)驗證試驗表明，正態(tài)水工模型(局部動床)的設(shè)計是合理的，滿足紊動阻力相似要求，可以進(jìn)行泄洪排沙洞的水力試驗研究。

2)泄洪排沙洞的過流能力滿足設(shè)計要求，超泄率ΔQ/Q為5%～6%，隧洞段洞頂余幅滿足設(shè)計規(guī)范[12]要求。

3)原設(shè)計涵洞段與下游明渠段泄流條件差，出現(xiàn)明流洞壅堵，必須調(diào)整相關(guān)流段的布置與體型。

4)基于抑制水躍強(qiáng)度、調(diào)整縱坡的修改思路，進(jìn)行了優(yōu)化修改試驗；通過提高涵洞段與明渠段的過流能力，消除了明流洞水躍壅塞現(xiàn)象，同時也提高了出口擴(kuò)散段小流量集中拉沙的能力。

[1]武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室.水力計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

[2]潘家錚.水工隧洞和調(diào)壓室[M].北京：水利電力出版社，1990.

[3]惠遇甲,王桂仙.河工模型試驗[M].北京：中國水利水電出版社,1999.

[4]鄭邦民.流體力學(xué)[M].北京：水利電力出版社,1989.

[5]謝鑒衡.河流模擬[M].北京：水利電力出版社,1990.

[6]依杰里奇克N E.水力摩阻[M].北京：電力工業(yè)出版社，1957.

[7]范靈,張宏偉,劉之平,等.明流泄洪洞布置形式對水力特性影響的數(shù)值研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2009,28(3):126-131.

[8]陳帥,王均星,陳利強(qiáng),等.低弗勞德數(shù)水躍耗散渦尺度的物模研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2013,32(2):179-183.

[9]劉培斌,孫東坡.河流工程問題數(shù)值模擬理論與實踐[M].鄭州：黃河水利出版社,1999.

[10]孫東坡.游蕩性河段新型整治工程局部沖刷模型設(shè)計[J].泥沙研究,2010(10):66-71.

[11]姚仕明，盧金友.三峽水庫蓄水運用前后壩下游水沙輸移特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2011，30(3)：117-123.

[12]吳時強(qiáng)，韓昌海，駱少澤，等.水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程:SL 155—95[S].北京：中國水利水電出版社，2002.

[13]孔亞珍，丁平興，賀松林，等.長江口外及其鄰近海域含沙量時空變化特征分析[J].海洋科學(xué)進(jìn)展，2006，24(4)：446-454.

[14]孫東坡，何書會，趙立敏，等.基于和諧理念的毗鄰城市河流綜合治理研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2010,43(1):14-19.

[15]馬旭東,戴光清,楊慶,等.突擴(kuò)突跌摻氣射流對泄洪洞側(cè)墻水力特性的影響[J].水力發(fā)電學(xué)報,2012,31(3):142-147.

[16]劉杰，陳吉余，徐志揚(yáng).長江口深水航道治理工程實施后南北槽分汊段河床演變[J].水科學(xué)進(jìn)展，2008，19(5)：605-612.

[17]STEVENS J C.The hydraulic jump in standard conduits[J/OL].Civil Engineering,[2016-01-10]http:∥civil.columbia.edu.

[18]STEVENS J C.Discussions of the hydraulic jumps in slopping channels by C E Kindsvater[J].Trans Am Soc Civ Eng,1994,109:1154-1187.

[19]KINDSVATER C E.The hydraulic jumps in slopping channels[J].Trans Am Soc Civ Eng,1994,109:1107-1120.

[20]邵和賓，范德江，張晶，等.三峽大壩啟用后長江口及鄰近海域秋季懸浮體、葉綠素分布特征及影響因素[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，42(5)：94-104.

(責(zé)任編輯：杜明俠)

Study on Hydraulic Characteristics of Flood and Sediment Discharge System of Sediment Storage Bins in a Pumped Storage Power Station

HAN Liqiu1， SUN Dongpo1， ZHAO Xurun2, DONG Mingjia1

(1.Hydraulic and River Institute, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;2.Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

Based on the similarity theory, a scale model which focused on the flood and sediment discharge tunnel of the lower reservoir of pumped storage power station was established and verified by river resistance. The water flow regime, water surface profile, velocity, energy dissipation and erosion of the downstream revetment were observed under different hydraulic conditions in an experiment. The experimental research results show that the flow pattern in the inlet of the flood and sediment discharge tunnel is smooth, the discharge capacity and the flow regime of tunnel section meet the design requirements. But there still remain some problems about the excessive water level in the tunnel, the insufficiency of channel water depth, the incapacity of sediment concentration in export diffusion section. Based on the modified ideas of the adjustment of longitudinal slope, coordination of each section of water transport capacity and inhibition of water jump strength, the optimal modification test was conducted. After a number of comparison tests, the optimal modification scheme was finally determined and the coordination between the culvert section and the open channel section was solved. Because the modification scheme can control the water depth within the tunnel more reasonably, the phenomenon of water jump in the open channel is eliminated and the flow pattern in the cavity is improved. At the same time, the addition of diffusion section of the sediment transport tank also effectively improve the ability of the sediment concentration of small flow and meet the different flow conditions under the discharge safety requirements. Research results have certain reference value for similar engineering design and safe operation.

free-flow tunnel; flow regime; hydraulic jump; choked tunnel; velocity distribution; bed scour

2016-10-20

國家自然科學(xué)基金項目(51079055)。

韓力球(1991—),男,浙江紹興人，碩士研究生，從事水力學(xué)及河流動力學(xué)方面的研究。E-mail:hanliqiu1991@163.com。

孫東坡 (1952—),男,河南鄭州人，教授，博導(dǎo)，博士，從事水力學(xué)及河流動力學(xué)方面的研究。E-mail:sundongpo@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.016

TV131.6

A

1002-5634(2017)01-0080-07