水布垭水利枢纽导流隧洞水力学试验研究
第19卷第4期2002年8月长 江 科 学 院 院 报
JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteVol.19No.4Aug.2002
文章编号:1001Ο5485(2002)04Ο0007Ο04
水布垭水利枢纽导流隧洞水力学试验研究
金宝芬,张声鸣,黄国兵,廖 宁
(长江科学院水工研究所,湖北武汉 430010)
摘要:水布垭导流隧洞具有水头高,流量大,洞线长,地质环境差等特点,因而技术问题较多,难度较大。为此,进行了大量的试验研究。主要试验成果有:泄流能力及影响泄流能力的主要因素,压力特性及改善压力特性措施,出口消能防冲措施的比较等。这些试验成果为工程优化设计提供了科学依据。关 键 词:导流隧洞;泄流能力;压力特性;消能防冲;模型试验中图分类号:TV135.1,TV131.61 文献标识码:A
水布垭水利枢纽位于湖北省清江中游河段,采用砼面板堆石坝,最大坝高约233m,总装机容量1600MW。根据枢纽布置、工程地质、地形条件和水文特征,选用围堰一次性拦断河床、隧洞导流方式。两条导流洞布置在左岸。截流设计标准为第3年11月频率P=10%,月平均流量324m3/s。上、下游过水围堰挡水设计标准为第3年11月至第4年5月时段频率P=20%,最大瞬时流量为4190m3/s。大坝渡汛,第4年汛期为全年频率P=3.3%,最大瞬时流量11600m3/s。
截流后至完建的6年半施工期中,有4年是导流隧洞泄水。因此,导流隧洞水力学问题的研究十分重要。自1996年开始,在1∶80的施工导流整体模型上进行了大量的试验研究,综合起来有6个方案,详见表1。
其中隧洞长度改变了6次(最短的823m,最长的1180m),洞身断面型式比较了3种(城门型、蛋壳型、马蹄型)。马蹄型隧洞进、出口见图1、图2。进口段体型修改了4次(有城门型、矩型)。另外隧洞出口消能型式比较了10种。通过对实测资料的整理、分析,得到了一些有实用价值的规律。
图1 马蹄型导流隧洞进口平面及剖面图
Fig.1 PlanandprofileofinletofhorseshoeΟshapeddiversion
tunnel
1 流 态
导流洞进口轴线与河床约成45°的夹角。明流时,流量较小,进口水流顺畅;半有压流及全有压流时,隧洞进口前有一对反向漩涡,库水位250～260m时漩涡直径和漏斗口直径达15～20m,有时挟带空气进入洞内。库水位高于260m后,
随着库水位
图2 导流隧洞出口布置图(池长50m)
Fig.2 Outletlayoutofdiversiontunnel
升高,漩涡变小。
洞内流态比较复杂。通过大量观测表明:当H
1.04D时为明流;当1.04D
收稿日期:2001Ο08Ο16
),女,湖南安乡人,长江科学院水工研究所工程师,从事水工水力学研究.作者简介:金宝芬(1957Ο
时,进口段有局部水面偶尔触及洞顶,偶尔脱离洞顶,交替变化不稳定;当(1.23～1.31)D≤H≤(1.69～1.94)D时,首先进口段有局部水流封闭、无自由水面,随后满管水流向下游推进,具有自由水面的洞身逐渐减短,为半有压流;当H>(1.69～1.94)D时,水流充满整个隧洞,没有自由水面,全洞为有压流。上述H为进口底板以上的水头,D为隧洞的高度。全洞有压流所需的水头随着洞身长度的增加而增加。由于本工程隧洞底坡为缓坡,从半有压至全有压流的过程中未观察到时而有压时而无压并伴随气囊的不稳定状态,但进口前较大漩涡挟带的气体会形成不连续的,大小不等的气泡贴顶顺流而下。隧洞出口在隧洞单独泄流和与过水围堰联合泄流Q
顶堰计算,即
Q=mB
gH1.5
(1)
式中:Q为两条导流洞的流量;m为流量系数;B为闸室总宽度;H为闸底板(198m)以上的水头,g为重力加速度。
有压流时,由出口断面控制,泄流能力按孔流计算,即
Q=μA
2gH。(2)
式中:μ为流量系数;A为2条洞出口面积之和;H
为出口顶以上的水头;其它符号同上。
表1中6个方案按式(1)、式(2)计算的流量系数列于表2。
从表2可以看出,明流时前3个方案基本一致,后3个方案也基本一致,这是因为前3个方案体型一样,后3个方案就明流闸室而言也是一样的。有压流时各方案的流量系数差别较大,这是因为影响有压管流泄水能力的因素较多,如进口段的结构型式、
2 泄流能力
明流时,相当于平底闸后接明渠,泄流能力按宽
表1 各方案隧洞的特征尺寸
Table1 Featuresizesoftunnelindifferentschemes
方案
进口断面城门型
宽×高=18m×20m顶拱中心角120°中墩厚4m
同方案Ⅰ同方案Ⅰ
城门型
宽×高=18m×21.5m
顶拱中心角120°中墩厚4m
矩形
洞身长度/m
1#洞9502#洞8231#洞11152#洞1021.51#洞11532#洞1059.51#洞11662洞1073.32
#
洞身断面城门型
宽×高=13m×16m顶拱中心角120°断面面积194m2
同方案Ⅰ同方案Ⅰ
出口断面
出口压坡洞身断面面积
0.00
1.00
ⅠⅡⅢ
同洞身断面同方案Ⅰ同方案Ⅰ
城门型
宽×高=18.75m×16.78m
断面面积285m2顶拱中心角120°渐变段长23m蛋壳型(平底)
宽×高=12.84m×16.29m
断面面积187.68m2
渐变段长20m城门型
宽×高=14.89m×13.72m
断面面积181.0m2顶拱中心角166.32°渐变段长30m
同方案Ⅰ同方案Ⅰ
同方案Ⅰ同方案Ⅰ
Ⅳ同方案Ⅰ0.001.469
Ⅴ
宽×高=18m×22.4m
中墩厚4m
1#洞1163.722#洞1070.25
宽×高=12.84m×16.91m
断面面积193.8m2
蛋壳型
0.0310.968
Ⅵ
宽×高=18.9m×21.22m
中墩厚4m
矩形
1#洞1180.362#洞1081.76
宽×高=14.89m×15.72m
断面面积194.1m2
马蹄型
0.0670.934
表2 各方案的流量系数
Table2 Dischargecoefficientsfordifferentschemes方 案
ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ
明 流0.280～0.3060.280～0.3050.280～0.3040.286～0.3200.286～0.3280.284～0.319
有压流0.708～0.7230.665～0.6700.660～0.6700.720～0.73330.688～0.7290.702～0.728
差别主要是洞身长度引起的,方案Ⅰ平均长886.5m,方案Ⅲ平均长1106.5m。后3个方案的差别主要是出口断面的变化,方案Ⅳ出口断面大于洞身标准断面,Ⅴ和Ⅵ出口断面小于洞身标准断面。从泄流能力看,Ⅵ方案要大于前几个方案。
3注:此方案A系按隧洞标准断面计算。
3 压力特性
压力分布规律概括起来有4点:一是进口段的体型对进口顶的压力分布影响很大,一般来说顶椭
洞身的断面型式、洞身的长度和糙率、出口型式、下游水位等。前3个方案结构型式一样,流量系数的
圆曲线的长半轴不宜小于洞高,长半轴越短压力分
布越差。二是洞身压力分布规律与洞身断面形状关系不大,而与糙率和出口断面关系密切,糙率越大,压坡越大,出口面积越小,压力越高。三是出口无压坡,断面不缩小、自由出流时,从洞出口至上游大范围内洞顶出现负压,负压范围随上游水位的升高而减小,负压值随上游水位的升高而增大。四是隧洞弯道处由于离心力的作用,两侧有较大的压差,凹侧大于凸侧。这个差值随着洞内流速的增大而增大,从压力特性来看,以Ⅵ方案(马蹄型)最好,最大负压值不超过3×9.81kPa。
(3)消力池采用斜尾坎,对调整坎后流速分布效果
明显,其中以马蹄型方案最好(终结)。各方案的冲
坑深度见表4。
表4 冲坑特征参数
Table4 Characteristicparametersofscourhole
方 案冲坑最深点高程ⅦⅧⅨⅩ
[1**********]1
m
最大冲深
23171514
最深点距尾坎
36405241～67
5 终结方案的主要成果
4 隧洞出口的消能防冲
本工程导流洞出口的消能防冲有3大特点:
(1)水头高、流量大;(2)地质环境差,左岸是滑坡体,右岸是高陡边坡及危岩;(3)地形陡峻,而导流洞出口、溢洪道出口、大坝、厂房尾水渠等建筑物十分紧凑,使导流洞出口的消能防冲布置受到很大的限制,消力池不能满足计算要求的长度。因此,解决消能防冲问题,既要考虑导流建筑物自身安全,又要维持岸坡稳定。试验中对出口消能布置做了多次修改,也只能在不到100m长的范围内采取局部工程措施,详见表3。
由于出口水流佛氏数低,而低佛氏数水跃消能的特点是消能率低,跃后紊动能量大,所以在较短的范围内做各种局部修改,效果都不大明显。但还是可以看出下面几点:(1)不设消力池在短范围内平护,急流冲射而出,对下游及两岸山坡都是十分危险的;(2)设消力墩,加糙墩,能减小河床的底部流速;
经比较选定,隧洞以马蹄型进、出口(如图1、图2所示)的方案为终结方案,如下为其主要成果:
(1)泄流能力:终结方案是最好的一个方案,进口段体型是4种进口段体型中最好的,损失系数最小。洞身断面是3种断面型式中水力半径最大、洞身单位长度损失最小的,所以虽然出口压力较大,但泄流能力仍能满足设计要求,泄流能力曲线见图3,主要控制条件的
图3 流量Ο水位关系曲线图
(马蹄型导流洞)Fig.3 Curvepresentingrelationshipbetweendischargeandwaterleverforhorseshoe
Οshapeddiversiontunnel
成果见表5。
表3 试验中消能型式的比较
Table3 Thecomparisonofdifferenttestedenergydissipationtypes
方案ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩ
主 要 特 征
两条隧洞出口不在同一断面,故各自下游分别设消力池,池总长90m,其中水平底端长50m,宽23m,池底高程191.5m,比洞出口高程低3.5m,尾坎与洞轴垂直,坎顶高程195m,尾坎下游30m长的混凝土护坦
两条隧洞出口位于同一断面,两洞出口下游设40m长的中隔墩,其后为共用平底消力池,池底高程191m,比洞口高程低4m,池宽63m,长60m;尾坎与洞轴垂直,坎顶高程198m,尾坎下游20m长的混凝土护坦
在Ⅱ的基础上,隧洞出口中隔墩末端起加两排消力墩,排距5m,墩距4m;墩宽4m,墩长5m,错开布置,第一排墩高6.4m,第二排墩高8m
在Ⅲ的基础上,于消力池尾坎后7m起加设两排加糙墩,排距7m,墩距6m,错开布置,墩宽4m,墩长5m,墩高4m
),左边池长80m,坎顶高程右端198m(同Ⅱ),左端200m。其他同Ⅱ将Ⅱ的垂直尾坎改为斜尾坎,右边池长60m(同Ⅱ
取消两条隧洞出口之间的中隔墩,采用平护,护底顶面顶高程195m与洞出口高程相同,平护长度70m在Ⅵ的基础上恢复中隔墩,其他不变
将Ⅴ的尾坎顶改为水平的,高程为197m,其他同Ⅴ在Ⅷ的基础上,池长缩短10m
在Ⅸ的基础上,将尾坎后的混凝土刚性护坦改为柔性护坦,4m×4m×2m的混凝土板三排用钢筋连接
10长江科学院院报表5 主要试验控制条件
Table5 Maincontroltestconditions
导流时段第3年11月
导流标准
11月P=10%的Qaverage
2002年
设计流量下泄流量
/(m3・s-1)/(m3・s-1)
[***********]5500
[***********]70
泄水建筑物
1#,2#导流洞1#,2#导流洞1#,2#导流洞及坝面1#,2#导流洞及永久放空1#,2#导流洞及永久放空洞
挡水建筑物截流戗堤上游围堰坝面过水坝体临时断面
大坝
设计上游水位
/m202.3223.94235.11275.62278.64
第3年11月至第4年5月
第4年汛期第5,6年汛期第7年汛期
时段P=20%的Qmax全年P=3.3%的Qmax全年P=0.5%的Qmax全年P=0.33%的Qmax
(2)时均压力:压力特性也是所有试验方案中
最好的。进口段压力分布较均匀,无明显的低压点。洞身负压范围较小,最小压力不低于-3.0×9.81kPa,洞顶中心线压力分布见图4
。
7.9m/s。可见过水围堰过水渡汛的防冲保护问题
应专门研究。
(4)局部动床冲刷:隧洞出口消力池下游冲坑最深点高程181m是各方案中最浅的,围堰过水渡汛时下游围堰下游冲坑最深点高程178m,距围堰脚约35m。参考文献:
[1] 金宝芬,廖 宁.水布垭水利枢纽施工导流(马蹄型隧
洞)1∶80水工整体模型试验研究报告[R].武汉:长江科学院,2001.
[2] 熊泽斌,张运建,单俊芳,等.清江水布垭水利枢纽布
图4 洞顶中心线压力分布图(封堵门井)
Fig.4 Pressuredistributionatmiddlelineoftunnelroof
underconditionofclosedgatewell
置与施工导流方案比选报告[R].武汉:水利部长江水利委员会,1997.
[3] 王仲何,陈勇伦,单俊芳,等.湖北清江水布垭水利枢
(3)流速:在Q=4500～10143m3/s的5级试
验流量中,各特征部位测得的最大流速分别为下游左岸滑坡段6.05m/s;右岸高陡坡危岩段-4.19m/s;上游围堰下游河床10.1m/s,左岸坡8.8m/s,右岸坡10.5m/s;坝体临时断面顶部靠上游7.3～
纽可行性研究[R].武汉:水利部长江水利委员会,
1998.
(编辑:易兴华)
Hydraulictestresearchonconstructiondiversiontunnelsof
ShuibuyaProject
JINBaoΟfen,ZHANGShengΟming,HUANGGuoΟbing,LIAONing(YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)
Abstract:ThediversiontunnelsoftheShuibuyaProjectfeaturehighhead,bigdischarge,longtunnellineandcomplicatedgeologicconditions.Forsolvingtheirhydraulicproblems,amodeltestwithascaleof1∶80wascon2ducted.Thepapersummarizesthemainresults,includingdischargecapacityandthemainfactorsaffectingit,pressurecharacteristicsanditsimprovementmeasures,andthecomparisonofenergydissipationschemesdown2streamtheoutlet.Theresearchresultsoffersbasicdataforoptimaldesignofthediversiontunnels.
Keywords:diversiontunnel;dischargecapacity;pressurecharacteristics;energydissipationandscourΟ
prevention