托克逊WSTG水库导流洞水工模型试验优化设计研究

曹 凯

（吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司,新疆 吐鲁番 838000）

1 概述

托克逊WSTG 水库任务主要以农业灌溉和工业供水为主,是一座具有综合效益的枢纽工程。水库总库容1440/1130 万m3,控制灌溉面积2.58 万亩,承担下游工业供水。导流洞位于大坝右岸,施工期兼作施工导流洞,运行期有冲沙、放空水库之功能,由检修闸、有压隧洞段、工作闸井、无压隧洞段和出口消能段组成,总长561.9 m,进口底板高程850.00 m,有压隧洞断面形式采用3 m×3.5 m 城门洞型,纵坡i=8.26%,无压隧洞断面形式采用3 m×4.0 m 城门洞型纵坡i=3.76%[1]。

WSTG 河流悬移质泥沙年内分配极不均匀：5月～9月是降雨洪水多发季节,河流含沙量大,10月～次年4月河水清澈。坝址的悬移质年输沙量为6.68 万t,推移质年输沙量为1.67 万t。导流洞在运行期存在高流速,高水头等问题,为了验证导流洞设计的合理性和安全性和对出口消能建筑物的优化,进行水工模型试验。

2 水工模型试的验目的

WSTG 水库正常蓄水位为905 m,校核洪水位为906.89 m。导流洞进口高程为850.00 m,总长561.9 m,隧洞最大流速12.96 m3/s,为了验证导流洞标准断面的水力参数、消能工结构尺寸及设计合理性,通过导流洞整体模型试验,再进一步优化完善,确定最终的建筑物尺寸及水力参数、闸门整体调度方案等,为工程设计及运行管理提供试验数据支持[2]。

3 水工模型设计与制作

3.1 水工模型设计

根据水流运动的相似原理和弗劳德模型相似律进行模型设计,模型为正态模型,在湖南省水利水电勘测设计研究总院水工大厅试验场地进行模型制作,考虑到试验要求及试验场地的情况,选定模型试验几何比尺1∶50,即L=50。其它比尺见表1。

表1 模型比尺汇总表

3.2 水工模型制作

模型原始河道根据WSTG 水库工程坝址区地形图,河道地形采用桩点法,用河砂成型,水泥砂浆抹面,断面间距50 cm；为方便观测水流流态,导流洞采用有机玻璃制作,消力池底板用木板精制,边墙采用水泥砂浆砌成。模型中地形用水泥砂浆抹面,其糙率nm=0.013～0.015,则原型糙率为nP=0.025～0.029,较原型河床的糙率（0.031～0.040）略小,但由于下游尾水位较大,糙率对泄洪消能影响较小。导流洞建筑物采用有机玻璃制作,其糙率nm=0.007～0.010,则原型糙率nP=0.013～0.019,比混凝土糙率略大,但由于泄洪洞为紊流,且流速水深较大,糙率对其影响较小。

3.3 水工模型测点布置及量测方法

3.3.1 测点布置

导流洞水工模型共布置14 个监测点,分别在导流洞工作闸井闸室末端布置1 处,在闸室与导流洞连接渐变段末端布置1 处,在导流洞隧洞段布置5 处,在隧洞段末端布置1 处,在消力池斜坡段末端、消力池中间和池尾分别布置1处,在下游护坦中间及末端分别布置1 处,在下游河道布置1 处。

3.3.2 试验量测方法

水位量测：采用水位测点控制,水位测点用于测量上游水库水位和控制下游河道水位,上游水位安设了1 个测针,设于溢洪洞进口上游河道中央位置,下游河道控制断面水位测针共布置2 处,分别埋设于大坝下游消力池出口50 m 河道中央位置及消力池出口150 m 河道中央位置。水位采用测针测量,测针最小刻度读数为0.1 mm。

流量量测：模型试验中采用矩形薄壁堰进行流量量测。按《水工（常规）模型试验规程》（SL 155-2012）建议,矩形薄壁堰的流量计算按雷伯克（T.Rehbock）经验公式：

量水堰堰高0.521 m、宽0.905 m,严格按照标准量水堰的设计要求进行制作,并进行流量校核验证。在测量中量水堰水位测量精度为0.1 mm。堰上水头、水位用精度为0.1 mm的测针量测。

流速水深：流速测量采用旋桨流速仪；水深测量选用钢尺（最小读数精度为1 mm）。水流观测利用抛投泡沫塑料颗粒、木屑等易漂物,观察其运行轨迹。

3.4 水工模型试验任务

试验任务主要为导流洞整体模型试验：

（1）对导流洞闸门部分开启或全开时的泄流能力进行验证,并对设计方案的进出口体型进行试验研究,测定各种工况时进出口水流流态情况。

（2）进行部分闸门开启及闸门局部开启的冲刷和过流试验,优化闸门调度方式。观测闸门调度运行的最佳组合,减少水流对下游岸坡、河床及隧洞、消力池底板及边坡等过流部位的冲刷,提出合理的闸门调度方案。

（3）验证导流洞消能工布置方案是否合理、可行,找出设计消能方案下控制消力池尺寸的泄流方式、泄量、试测流态情况、水跃形式,测定各种工况时的水面线和坝上、下游流速分布及坝上下游河床冲淤情况,保证下游岸坡冲刷稳定,提出合适的优化方案。

4 水工模型试分析

4.1 导流洞泄流能力试验

4.1.1 敞泄泄流能力

在上游水位为死水位（876.00 m）至正常蓄水位（905.00 m）范围内,进行导流洞敞泄泄流能力试验,其泄流能力在水位905 m 至876 m 减小时,导流洞敞泄泄流流量由206.36 m3/s逐渐减少至166.71 m3/s,由此可知,当上游水库水位在876.00 m～905.00 m 变化时,泄流能力变化范围较小,但在实际运行中,导流洞不参与泄洪,试验数据仅作为设计参考。同时试验观测到在导流洞敞泄时,水流超过直墙段,易造成明满交替的不良流态,对洞室结构的稳定不利,故在实际运行中,建议局部开启。

4.1.2 不同闸门开度泄流能力

在上游水位为正常蓄水位905.00 m 时,进行导流放空洞闸门不同开度的泄流能力试验。闸门分别开启0.50 m、1.00 m、1.50 m、2.00 m、2.50 m 和全开,当闸门开度在0.50 m 至全开变化时,导流洞泄流由60.45 m3/s 增加至206.36 m3/s,导流洞不同闸门开度泄流曲线见图1。

图1 导流洞不同闸门开度泄流曲线

根据试验成果得到导流洞闸门调度结论：①导流洞在水库蓄水前,定期进行排砂拉砂,导流洞全部开启时,无压洞内水深会超过直墙段,可能会产生明满交替的不良流态,不建议全部开启导流放空兼冲砂洞,建议局部开启。②当遇非常洪水,溢洪洞不足以下泄来流时,考虑开启导流洞进行泄流,以保障大坝安全。

4.2 施工导流水力特性

为探究施工导流期导流隧洞及下游消力池的流场分布情况,试验选取初期导流和临时度汛两个典型工况进行试验研究,导流时段均为全年导流,初期导流洪水标准采用P=10%,临时度汛洪水标准采用P=5%,WSTG 水库施工导流水力特性见表2。

表2 WSTG 水库施工导流水力特性

根据试验测得当导流洞下泄两个典型工况的流量时,导流洞工作闸门均为局部开启。初期导流时,导流洞的闸门开度为2.50 m,临时度汛时导流洞闸门开度为2.25 m。

4.3 流速流态

导流洞隧洞内在各测点在两种工况下,分别对水流的表面及底层进行量测,在消力池及河道不仅在表面和底层进行量测,还要在水流的左侧、中间及右侧分开量测,汇集成导流洞流速试验数据。

（1）导流洞流速流态

根据试验结果表明：在两个工况下,由试验数据可以判断出,在初期导流（P=10%）工况下,导流隧洞内流速表现为表面大底部小的分布规律,表层流速范围在10.96 m/s 至12.49 m/s,底层流速范围在8.78 m/s～11.94 m/s。在坝体临时度汛（P=5%）工况下,导流隧洞内流速分布与初期导流类似,表层流速范围在12.61 m/s～17.52 m/s,底层流速范围在10.48 m/s～19.49 m/s。通过对比两种不同工况下洞内流速,在坝体临时度汛（P=5%）工况下,导流洞下泄最大流速位于渐变段出口断面的底部,流速为19.49m/s。

（2）消力池流速流态

根据试验结果表明：在两个工况下,由试验数据可以判断出,在初期导流（P=10%）工况下,消力池内流速分布为中间大而两侧小,最大流速为14.44 m/s,位于斜坡扩散段的末端。在消力池尾,由于发生水跃,故表面流速较底部流速小。在护坦中部,左侧发生回流,回流流速约2.57 m/s,右侧流速较大。而在护坦末端,主流靠近偏流墩,故左侧流速较右侧大。在下游河床,主流与河道中心线的夹角约45°,故左侧流速较大。在坝体临时度汛（P=5%）工况下,消力池内流速分布与初期导流工况类似,最大流速为13.91 m/s。

4.4 水深

导流洞在各测点在两种工况下,对轴线水深进行量测,汇集成导流洞轴线水深试验数据[3]。

根据试验可知,在初期导流P=10%频率时,导流洞隧洞内水深基本稳定,起伏波动较小,最大为2.60 m,水位均在隧洞直墙段以下。消力池内斜坡扩散段水深最低,为0.85 m。由于下游水位较高,下泄水流流速较大,在护坦段形成回流,表面回流覆盖出池水流,产生水跃现象,故此处水深较大,为2.95 m。在临时度汛P=5%频率时,最大水深在隧洞的末端,为2.80 m,隧洞内水位均在直墙段以下,消力池内水深分布与初期导流时基本相同。

综合流速流态及水面线的分布来看,施工导流两个典型工况下,水跃均位于消力池尾部,导流洞消力池的消能效果有限。

4.5 实验结果

通过试验研究了施工导流期间两个典型工况下,导流洞内的流速流态情况,两个典型工况下导流洞闸门均为局部开启,闸门开度分别为2.50 m、2.25 m；两个工况的水跃均位于消力池尾部,消力池的消能效果有限。导流洞下泄水流在护坦的左侧产生回流,且回流覆盖出池水流,使得此处水深较大。导流洞闸门全开时水深会超过直墙段,故不建议全开。当兼顾冲砂要求,按照死水位泄流能力计算得到的导流洞全开时无压段水深约为3.8 m,考虑超高,建议隧洞无压段城门洞直墙段的高度设为4.0 m,并保留有25%的洞顶余幅[4]。

5 结论

在导流洞设计时,经常采用的是数学分析的方法和应用经验公式,但这两种方法都有一定的局限性,由于导流洞所在的条件各不相同,具有复杂性和多样性,通过对导流洞原设计方案进行水工模型实验,根据实验结果对原设计方案进行论证和优化,优化调整后导流洞的导流洞设计参数均符合规范要求,对导流洞的设计及运行管理提供了试验数据支持。