閆 靖，趙 晶

(宜昌市水利水電勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 宜昌 443005)

1 案例工程基本情況簡(jiǎn)述

二塘溝水庫(kù)樞紐工程坐落在我國(guó)西北某地，是一座兼顧防洪、灌溉和地區(qū)供水任務(wù)的Ⅲ等中型山區(qū)峽谷型水利樞紐工程，工程由溢洪道、泄導(dǎo)洞、灌溉閘和瀝青心墻壩等建筑構(gòu)成行流泄水系統(tǒng)。水庫(kù)洪水期校核水位1 476.83 m，洪水期設(shè)計(jì)水位1 475.06 m，死庫(kù)容209×104m3，死水位1 439 m，總庫(kù)容2 360×104m3。

泄導(dǎo)洞在左岸巖體內(nèi)布置，位于放水灌溉洞右側(cè)，與放水灌溉洞的軸線距離20 m。該洞系為多功能Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)隧洞，在庫(kù)壩修建期承擔(dān)施工導(dǎo)水任務(wù)，在水庫(kù)正常運(yùn)行期擔(dān)負(fù)泄洪、沖排沙和放空等任務(wù)。因受到區(qū)域地形的限制，洞身段采用半徑30 m和角度46.66°的彎道設(shè)計(jì)。在庫(kù)區(qū)施工期，該泄導(dǎo)洞的導(dǎo)水過流最大量為172 m3/s；在正常蓄水期的洪水校核過流量為356.63 m3/s，洪水設(shè)計(jì)過流量為349.82 m3/s。

在綜合討論原泄導(dǎo)洞方案基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)方案：改進(jìn)的泄導(dǎo)洞陡坡上面的拋線按原拋線方程延長(zhǎng)，消力池底面板應(yīng)下降1.7 m，末端樁號(hào)從原導(dǎo)0+367.634須延長(zhǎng)至后陡槽及導(dǎo)0+372.640相接，陡槽坡比須由原來(lái)得i=0.436 8優(yōu)化為i=0.538 6。優(yōu)化建議的泄導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)立、平面簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 泄導(dǎo)洞優(yōu)化修改方案(m)

為驗(yàn)證案例泄導(dǎo)洞優(yōu)化改進(jìn)方案，本文基于工程導(dǎo)水防汛任務(wù)需求，以等比縮放模型模擬實(shí)驗(yàn)分析的方式，對(duì)案例優(yōu)化改進(jìn)水庫(kù)泄導(dǎo)洞設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，探討沿程流態(tài)、測(cè)度并演算優(yōu)化后的水力參數(shù)，解析判斷該設(shè)計(jì)的參數(shù)合理性。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的實(shí)驗(yàn)分析

2.1 基于導(dǎo)流度汛任務(wù)的優(yōu)化分析

2.1.1 沿程流態(tài)分析

在泄導(dǎo)洞內(nèi)水流由壓力段進(jìn)入明渠段時(shí)，由于受工作閘室段分散擴(kuò)展的影響，發(fā)生水面陡然跌落，之后于明渠段，以折沖流的方式繼續(xù)行流。水流進(jìn)入拋線分散擴(kuò)展段，因?yàn)閿嗝娣稚l(fā)展，優(yōu)化后的拋線變長(zhǎng)，后銜接的斗槽坡度增大，流動(dòng)的速率加大，并且中間水面較大，兩邊下降較多。

入流消力池后，出現(xiàn)淹沒水躍。躍首隨庫(kù)內(nèi)水位升高而后移，繼而越出邊墻。圖2是過流量為172.27 m3/s、庫(kù)水位1 434.87 m時(shí)，泄導(dǎo)洞消力池段的沿程流態(tài)。在樁號(hào)導(dǎo)0+381.21～導(dǎo)0+383.19之間，水躍躍首波動(dòng)，隨庫(kù)水位繼續(xù)攀升。消力池均有淹沒水躍發(fā)生，預(yù)示消力池?zé)o論長(zhǎng)度還是深度上，均可以滿足工程任務(wù)需要。

出消力池后，有一段跌落水流發(fā)生，此為導(dǎo)墻彎道所致，水流在出口呈現(xiàn)右低左高狀態(tài)。行流入結(jié)構(gòu)退水渠，流態(tài)先分散擴(kuò)展，沖向渠邊墻，形成水流折沖，沿結(jié)構(gòu)退水渠以菱形不對(duì)稱沖擊波形態(tài)流動(dòng)，之后入流下游河道，基本狀態(tài)見圖3。

圖2 消力池段的過流狀態(tài)

圖3 退水渠段的過流狀態(tài)

行流在退水渠出口以跌落的狀態(tài)流入下游河道，因?yàn)橄掠魏拥廊肟趽碛邢鄬?duì)寬闊的河床，故此段行流相對(duì)平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得表明，水面在230.69 m3/s過流量和1 443.04 m庫(kù)水位時(shí)，發(fā)生2.30 m跌落；水面在172.27 m3/s過流量和1 434.87 m庫(kù)水位時(shí)，發(fā)生2.08 m跌落。

上述流態(tài)表明，泄導(dǎo)洞消力池段的沿程流態(tài)能夠滿足任務(wù)需要，并且避免出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍。但淹沒水躍在庫(kù)水位攀升積累達(dá)一定程度后開始躍出邊墻，故此案消力池的邊墻高程設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步優(yōu)化。

2.1.2 主要參數(shù)分析

1) 沿程水線。在172.27 m3/s過流量時(shí)，在分散擴(kuò)展段測(cè)得水躍躍首前水深最大值為2.74 m。在230.69 m3/s過流量時(shí)，測(cè)得水深最大為3.07 m。比較對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)值，邊墻的高程設(shè)計(jì)能夠滿足泄流任務(wù)需要。

在172.27 m3/s過流量時(shí)，消力池水躍段測(cè)得水深最大值為12.21 m。在230.69 m3/s過流量時(shí)，測(cè)得水深最大值為13.86 m。該段邊墻的高程為12.9 m，顯然邊墻高程的設(shè)計(jì)不能夠滿足水工特性需要。隨著庫(kù)水位的攀升，泄量持續(xù)加大，消力池高程亦不能滿足工程需要，故亦需進(jìn)一步優(yōu)化此處的邊墻高程。

退水渠頂段消力坎在172.27 m3/s過流量時(shí)，水深最大測(cè)得值為4.29 m。在230.69 m3/s過流量時(shí)，水深最大測(cè)得值為5.61 m。此段邊墻的高程為6.0 m，可以滿足對(duì)應(yīng)需要。但隨著過流量的增大，該段邊墻高程亦不滿足需要。在172.27 m3/s過流量時(shí)，測(cè)得結(jié)構(gòu)退水渠水深最大值為2.28 m。在230.69 m3/s過流量時(shí)，水深最大測(cè)得值為3.30 m。此段邊墻的高程設(shè)計(jì)是6.0 m，可以滿足泄流需要。

2) 壁面壓強(qiáng)。由測(cè)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算為壓強(qiáng)值可知，改進(jìn)方案在導(dǎo)水防汛期泄導(dǎo)洞底面板壓強(qiáng)值均為正值，壓強(qiáng)演變相對(duì)平緩。拋線段172.27 m3/s過流量時(shí)，其底面板最小壓強(qiáng)值為0.7×9.8 kPa。其下切最大截面的過流速率為18.9 m/s。在230.69 m3/s過流量時(shí)，底面板最小壓強(qiáng)值為0.7×9.8 kPa，并且下切最大截面流動(dòng)速率為21.4 m/s。因?yàn)閴簭?qiáng)均為正值，并且下切流動(dòng)速率高于空化初生流動(dòng)速率，即在兩種導(dǎo)水工況條件下拋線段不會(huì)出現(xiàn)空化水流，認(rèn)為底曲線設(shè)計(jì)合理。退水渠段及消力池段的底面板壓強(qiáng)同為正值，壓強(qiáng)分布合理，壓強(qiáng)變化也平緩。新設(shè)計(jì)分段壓強(qiáng)計(jì)算極值統(tǒng)計(jì)表見表1。

3) 拋線后各部分沿程流動(dòng)速率分布。從測(cè)得流動(dòng)速率分析得知，在172.27 m3/s過流量時(shí)，分散擴(kuò)展段最大流動(dòng)速率為18.9 m/s。在230.69 m3/s過流量時(shí)，該最大流動(dòng)速率為22.2 m/s。在172.27 m3/s過流量時(shí)，消力池段最大流動(dòng)速率為8.6 m/s。在230.69 m3/s過流量時(shí)，其最大點(diǎn)流動(dòng)速率為11.1 m/s。與原方案比較，新設(shè)計(jì)的消力池池首流動(dòng)速率要小一些。在172.27 m3/s過流量時(shí)，退水渠段流動(dòng)速率最大為6.5 m/s。在230.69 m3/s過流量時(shí)，最大流動(dòng)速率在7.4 m/s。結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的各個(gè)部分流動(dòng)速率分布基本合理。

表1 新設(shè)計(jì)分段壓強(qiáng)計(jì)算極值統(tǒng)計(jì)表 /9.8 kPa

綜上所述，泄導(dǎo)洞拋線后雖然沿程流動(dòng)速率演變較大，但流動(dòng)速率分布仍然較為合理，并且流動(dòng)速率數(shù)值未超越初生空化數(shù)30 m/s，因此解析認(rèn)為在導(dǎo)水工況條件下不會(huì)對(duì)建筑物造成空蝕破壞。

2.2 基于蓄水任務(wù)的優(yōu)化分析

2.2.1 明流段沿程流態(tài)

在上游庫(kù)水位相對(duì)較大、過流量相對(duì)較大時(shí)，泄導(dǎo)洞流動(dòng)速率較大，并且因?yàn)閽伨€曲率經(jīng)變更，坡度較陡，所以在截面分散擴(kuò)展處中間水面超出兩邊較多，并且流動(dòng)狀態(tài)也隨庫(kù)水位攀升變差?；?82.64 m3/s過流量和1 474.00 m蓄水位的流動(dòng)狀態(tài)見圖4。

圖4 正常蓄水位消力池段沿程流態(tài)

圖5是在設(shè)計(jì)洪水期386.63 m3/s過流量和1 475.06 m水位時(shí)，泄導(dǎo)洞消力池段沿程流態(tài)，水躍躍首在樁號(hào)導(dǎo)0+383.85～導(dǎo)0+387.81之間波動(dòng)。圖6是校核洪水期393.51 m3/s過流量和1 476.83 m水位時(shí)，泄導(dǎo)洞消力池段沿程流態(tài)，在導(dǎo)0+384.51～導(dǎo)0+388.80之間，水躍躍首波動(dòng)。每當(dāng)上游水庫(kù)水位在設(shè)計(jì)水位時(shí)，在水流流出消力池后，以不對(duì)稱的菱形沖擊波沿結(jié)構(gòu)退水渠流動(dòng)，該段流動(dòng)狀態(tài)形態(tài)較差，見圖7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，消力池深度及長(zhǎng)度可以滿足需要，但邊墻高程仍不夠充分，并且拋線段曲率較大，坡度較陡。

圖7 設(shè)計(jì)洪水位結(jié)構(gòu)退水渠段沿程流態(tài)

2.2.2 主要參數(shù)分析

1) 出口段沿程水線。3個(gè)工況條件：基于全開閘門的設(shè)計(jì)洪水位；基于全開閘門的校核洪水位；基于局開閘門的148.6 m3/s泄流量和洪水20年一遇的1 474.96 m庫(kù)水位。泄導(dǎo)洞出口后各處沿程水線的測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

表2 蓄水期方案一沿程最大水面線統(tǒng)計(jì)解析表

3個(gè)工況條件鉸座截面測(cè)得水深最大值為4.29 m，水面高度是1 424.768 m，而鉸座軸心的高度為1 426.478 m，實(shí)驗(yàn)觀察到鉸座安全超高可以滿足需要。

明渠段在閘門局開為148.6 m3/s過流量和1 474.96 m庫(kù)水位時(shí)，測(cè)得水深最大值是1.82 m；在1 475.06 m設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，測(cè)得水深最大值是為4.29 m；在1 476.83 m校核洪水位時(shí)，測(cè)得水深最大值為4.09 m。該段的邊墻高程是5.5 m，因此邊墻高程可以滿足泄流需要。

分散擴(kuò)展段水躍躍首前在明渠段閘門局開為148.6 m3/s過流量，并且1 474.96 m庫(kù)水位時(shí)，測(cè)得水深最大值為4.29 m；在1 475.06 m設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，測(cè)得水深最大值是4.46 m；在1 476.83 m校核洪水位時(shí)，測(cè)得水深最大值為4.79 m。因?yàn)樵摱芜厜Ω叱檀笥? m，因此邊墻高程可以滿足泄流需要。

消力池內(nèi)水躍段在1 475.06 m設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，其測(cè)得水深最大值為17.16 m；在1 476.83 m校核洪水位時(shí)，測(cè)得水深最大值為16.83 m。因?yàn)樵摱蔚倪厜Ω叱淌?2.9 m，邊墻高程不能夠滿足泄流需要，需實(shí)施設(shè)計(jì)修改。

消力坎頂段退水渠段在1 475.06 m設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，測(cè)得水深最大值為8.25 m；在1 476.83 m校核洪水位時(shí)，測(cè)得水深最大值是8.58 m。因?yàn)榇颂庍厜υ瓰?.0 m，顯然此高程不能滿足泄流需要。

結(jié)構(gòu)退水渠段在1 475.06 m設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，測(cè)得水深最大值為5.26 m；在1 476.83 m校核洪水位時(shí)，測(cè)得水深最大值為6.60 m。此處邊墻高程原設(shè)計(jì)是6.0 m，這樣的邊墻高程滿足泄流需要。

經(jīng)過出口段水面線的測(cè)度發(fā)現(xiàn)，消力池的邊墻高程與消力坎段頂段退水渠的邊墻高程不滿足泄流需要，因此需參考實(shí)際測(cè)度高程對(duì)邊墻高程實(shí)施優(yōu)化。

2) 壁面壓強(qiáng)。前述3種工況條件下泄導(dǎo)洞沿程壁面沿程壓強(qiáng)極值測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 泄導(dǎo)洞沿程壁面沿程壓強(qiáng)極值測(cè)量結(jié)果 /9.8 kPa

續(xù)表3

由統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù)可知，泄導(dǎo)洞洞身段底面板壓強(qiáng)在3種工況條件下均為較大時(shí)值，并且壓強(qiáng)演變較為平緩；拋線段在閘門局開，148.6 m3/s過流量和1 474.96 m庫(kù)水位時(shí)，測(cè)得底面板最小壓強(qiáng)為-0.1×9.8 kPa，位處導(dǎo)0+360.054截面，在1 476.83 m校核洪水位及1 475.06 m設(shè)計(jì)洪水位工況條件下，測(cè)得底面板壓強(qiáng)最小均為-0.2×9.8 kPa，并且位處導(dǎo)0+360.054截面至導(dǎo)0+363.215截面之間，該部位在拋線的后部；在3種工況條件下泄導(dǎo)洞頂曲線壓強(qiáng)均為時(shí)值，并且壓強(qiáng)演變平緩，頂曲線設(shè)計(jì)可以滿足壓強(qiáng)需要；檢修門槽段，在閘門局開、148.6 m3/s過流量和1 474.96 m庫(kù)水位時(shí)，測(cè)得側(cè)墻最小壓強(qiáng)42.9×9.8 kPa；在1 475.06 m設(shè)計(jì)洪水位時(shí)測(cè)得側(cè)墻最小壓強(qiáng)33.0×9.8 kPa，在1 476.83 m校核洪水位時(shí)，測(cè)得側(cè)墻最小壓強(qiáng)34.3×9.8 kPa。3種工況條件下，檢修門槽截面壓強(qiáng)沒有負(fù)壓且數(shù)值都較大。退水渠段及消力池段的底面板壓強(qiáng)演變平緩，壓強(qiáng)均為正值，分布基本合理。

因?yàn)樵撔箤?dǎo)洞拋線段發(fā)生負(fù)壓值，故測(cè)度拋線段面上切點(diǎn)與下切點(diǎn)部位在20年一遇洪水、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位3種工況條件下的最大流動(dòng)速率，并且拋線上切點(diǎn)最大流動(dòng)速率分別為27.9、27.4、26.4 m/s，拋線下切點(diǎn)測(cè)得最大流動(dòng)速率分別為24.1、27.5、27.7 m/s。在上面3種運(yùn)行工況條件下，拋線段上切點(diǎn)最大流動(dòng)速率與下切點(diǎn)最大流動(dòng)速率接近初生空化流動(dòng)速率，并且底面板為負(fù)壓，所以可能會(huì)出現(xiàn)空化水流，說明拋線底曲線設(shè)計(jì)曲率較大。

3) 沿程流動(dòng)速率分布。3個(gè)工況：渠段在閘門局開、148.6 m3/s過流量和1 474.96 m庫(kù)水位；閘門全開、386.6 m3/s過流量和1 475.06 m設(shè)計(jì)洪水位；閘門全開、393.5 m3/s過流量和1 476.83 m校核洪水位。測(cè)得最大流動(dòng)速率分別為32.0、26.7、27.3 m/s，數(shù)據(jù)顯示閘門小開度時(shí)明渠段流動(dòng)速率較閘門全開時(shí)流動(dòng)速率要大，表明水流壓力在小開度下較大，最小流動(dòng)速率增大，但容易出現(xiàn)不平衡力矩，需引起重視。

3工況條件下，拋線上切點(diǎn)部位最大流動(dòng)速率分別為27.9、27.4、26.4 m/s，該截面的平均流動(dòng)速率分別約為24.1、22.3、22.6 m/s，下切點(diǎn)測(cè)得最大流動(dòng)速率分別為24.1、27.5、27.7 m/s；分散擴(kuò)展段在3種運(yùn)行工況條件下測(cè)得最大點(diǎn)流動(dòng)速率分別為27.9、29.9、30.1 m/s；消力池段在1 476.83 m校核洪水位及1 475.06 m設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，測(cè)得最大流動(dòng)速率分別為24.8及25.8 m/s；退水渠段在1 475.06 m設(shè)計(jì)洪水位及1 476.83 m校核洪水位兩個(gè)運(yùn)行工況條件下測(cè)得最大流動(dòng)速率均為8.7 m/s。

3種不同工況條件下的沿程流動(dòng)速率測(cè)定結(jié)果表明，明渠段的水流現(xiàn)象要引起重視，拋線段流動(dòng)速率則需進(jìn)一步的優(yōu)化，其它各個(gè)部分流動(dòng)速率分部均合理。

3 泄導(dǎo)洞改進(jìn)設(shè)計(jì)總評(píng)述及再改進(jìn)建議

綜合前述分析結(jié)果，從水力學(xué)角度看，泄導(dǎo)洞平面布置總體合理可行，但存在著如下問題，需進(jìn)一步修改優(yōu)化。

泄導(dǎo)洞拋線段在導(dǎo)水防汛期各水工特性總體滿足需要，但在蓄水期，因?yàn)檠爻虡短?hào)加長(zhǎng)，消力池加深，曲率較大，從而導(dǎo)致該段流動(dòng)狀態(tài)較差。與此同時(shí)，該處水流流動(dòng)速率較大，并發(fā)生負(fù)壓，水流有脫離底面板態(tài)勢(shì)，有出現(xiàn)空化水流的可能，極易導(dǎo)致空蝕破壞，影響泄水建筑物安全。因此，建議對(duì)拋線段的曲率進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)提醒施工時(shí)要注意充分控制分散擴(kuò)展段的不平整度，以保障分散擴(kuò)展段避免發(fā)生空蝕破壞。在消力池段及退水渠段，因?yàn)閾碛休^大水深，水流容易躍出邊墻，因此建議工程設(shè)計(jì)按本文測(cè)得水線適當(dāng)加高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以等比縮放模型模擬實(shí)驗(yàn)分析的方式，對(duì)案例優(yōu)化改進(jìn)水庫(kù)泄導(dǎo)洞設(shè)計(jì)方案開展分析研究：①對(duì)原工程泄導(dǎo)洞改進(jìn)設(shè)計(jì)方案開展縮比模擬實(shí)驗(yàn)和分析；②對(duì)案例泄導(dǎo)洞改進(jìn)設(shè)計(jì)給與基本評(píng)述，給出泄導(dǎo)洞改進(jìn)設(shè)計(jì)方案平面布置總體合理可行的基本評(píng)價(jià)；③對(duì)案例泄導(dǎo)洞改進(jìn)設(shè)計(jì)給出再改進(jìn)設(shè)計(jì)建議：建議對(duì)泄導(dǎo)洞拋線段的曲率再進(jìn)一步優(yōu)化；消力池段及退水渠段的水線應(yīng)適當(dāng)加高；施工時(shí)要注意充分控制分散擴(kuò)展段的不平整度，以保障分散擴(kuò)展段避免發(fā)生空蝕破壞，以期為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考與借鑒。