劉小良，王鑫，姚凱，張朋鶴，楊讓瑕

（1. 銅川市龍?zhí)端畮?kù)建設(shè)管理處，陜西銅川 727031；2. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；3. 楊凌區(qū)住房建設(shè)局，陜西 楊凌 712100）

泄洪洞作為一種泄水建筑物在水利樞紐工程中普遍存在，在實(shí)際水利工程中，泄洪洞一般為直洞，這樣可以節(jié)省工程量，減小工程造價(jià)。但有些情況下，因?yàn)榈刭|(zhì)、地形、工程結(jié)構(gòu)等條件的限制，泄洪洞必須設(shè)計(jì)成含有彎道的形式，以便于充分利用地形，方便工程設(shè)計(jì)施工。但隨之出現(xiàn)的明渠高速水流，特別是泄洪洞彎道高速水流對(duì)水工建筑物影響問(wèn)題也就更為突出。參考國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例可知，目前在解決該問(wèn)題方面一般采用兩種方法：一種是施加側(cè)向力；一種是干擾處理。具體方法為：渠底超高法、復(fù)曲線法、斜坎法等，由于本工程已建，渠底超高法和復(fù)曲線法并不適用，因此本試驗(yàn)針對(duì)斜坎法做了模型試驗(yàn)研究，并對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了研究與探討。

1 彎道的基本情況

本文結(jié)合我國(guó)某水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞彎道進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)。該水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞布置在河道右岸，采用無(wú)壓洞方案。泄洪洞為圓拱直墻型明流洞，洞身總長(zhǎng)度492 m，斷面尺寸為4.5 m×7.3 m（寬×高），底坡i=0.01，放水塔進(jìn)口底板高程為680 m，彎道進(jìn)口底板高程為678.929 m，洞出口采用挑流消能。水庫(kù)正常蓄水位為711.591 m；設(shè)計(jì)洪水位714.76 m，下泄流量322.0 m3/s；校核洪水位719.94 m，下泄流量346.74 m3/s。彎道段詳圖如圖1所示。

2 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)要求，本模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，選用幾何比尺為1∶36。模型采用無(wú)色透明的有機(jī)玻璃精制而成，糙率約為0.008，通過(guò)糙率比尺換算成原型糙率約為0.014 5，接近混凝土的糙率0.014～0.015，基本滿足原型泄洪洞表面的糙率要求。

圖1 泄洪洞彎道段布置圖及測(cè)壓孔位置圖Fig. 1 The arrangement of the spillway tunnel curve segment and the pressure measuring point

圖2 導(dǎo)流泄洪洞不同開度下庫(kù)水位和泄流量關(guān)系曲線Fig. 2 The relationship curve of reservoir water level and discharge with different openings of the diversion gate

3 彎道的過(guò)流條件

本次試驗(yàn)進(jìn)行了工作閘門3.2 m全開運(yùn)行工況下泄量的率定，同時(shí)還率定了弧形工作閘門局開，開度分別為0.8 m、1.6 m、2.4 m、2.8 m等4個(gè)開度下泄流量的率定工作。實(shí)測(cè)庫(kù)水位為設(shè)計(jì)洪水位714.76 m時(shí)，導(dǎo)流泄洪洞實(shí)測(cè)下泄流量321.55 m3/s；庫(kù)水位為校核洪水位719.94 m時(shí)，導(dǎo)流泄洪洞實(shí)測(cè)下泄流量為343.34 m3/s。根據(jù)下泄流量及彎道進(jìn)口斷面實(shí)測(cè)水深值，估算得出閘門3.2 m全開時(shí)彎道進(jìn)口斷面平均流速在19.05～22.08 m/s范圍內(nèi)，閘門2.8 m局開時(shí)流速在19.92～21.44 m/s范圍內(nèi)，彎道進(jìn)口斷面水流流速基本在20 m/s左右，處于高速水流研究的主要范疇。該工程明流泄洪洞的水流為高速水流，遇有彎道，將產(chǎn)生沖擊波等問(wèn)題，直接影響泄洪洞的安全運(yùn)行。對(duì)于彎道下急流怎么控制，需要采取哪些措施，這是本試驗(yàn)所要研究的內(nèi)容。

4 彎道的水流特性

4.1 彎道段的水深及流態(tài)

試驗(yàn)測(cè)量了原設(shè)計(jì)閘門3.2 m全開時(shí)特征庫(kù)水位下彎道段的水面線；不同庫(kù)水位下閘門全開時(shí)彎道外側(cè)最高水深與彎道內(nèi)側(cè)最低水深試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3；不同庫(kù)水位下閘門全開時(shí)彎道外側(cè)最高水深與彎道內(nèi)側(cè)最低水深差值試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4；并對(duì)水流流態(tài)進(jìn)行了觀察，水流流態(tài)見(jiàn)圖5，結(jié)果顯示：各特征庫(kù)水位下，水流在進(jìn)入彎道段時(shí)，受彎道曲率半徑的影響，在樁號(hào)0+108.68處凹岸水面開始升高，凸岸水面開始降低，水面產(chǎn)生橫向坡度；在樁號(hào)0+130.28處，水面高差達(dá)到最大。實(shí)測(cè)下泄設(shè)計(jì)校核洪水時(shí)，彎道外側(cè)最大水深超過(guò)7.3 m，水流翻越洞頂，在彎道下直洞段產(chǎn)生麻花水流，流態(tài)極差，有可能影響工程安全運(yùn)行。同時(shí)觀測(cè)得出閘門2.8 m局開時(shí)特征庫(kù)水位下彎道的水面線和水流流態(tài)與閘門3.2 m全開時(shí)類似（見(jiàn)圖6），下泄設(shè)計(jì)校核洪水時(shí)，彎道外側(cè)最大水深在6.3～6.6 m，水流并沒(méi)有翻越洞頂，但仍在彎道下直洞段產(chǎn)生折沖水流，相對(duì)閘門3.2 m開度流態(tài)有好轉(zhuǎn)，但仍然很差。

圖3 閘門全開彎道外側(cè)最高與內(nèi)側(cè)最低水深隨庫(kù)水位變化曲線Fig. 3 The curve of the lateral and medial depths varying with the reservoir water level when the gate is 3.2 mfull open

圖4 閘門全開彎道外側(cè)最高與內(nèi)側(cè)最低水深差值隨庫(kù)水位變化曲線Fig. 4 The curve of differences of the lateral and medial depths varying with the reservoir water level when the gate is 3.2 m full open

圖5 設(shè)計(jì)洪水位下泄洪洞3.2 m全開彎道段水流流態(tài)Fig. 5 The flow regime of the curve section when gate opening full 3.2 m under the design flood level

在離心力作用下，彎道中水流表面形成從凹岸向凸岸傾斜的橫向水面坡度。橫向水面高差的計(jì)算采用《水力學(xué)》中的公式:

式中，r1，r2分別為彎道凸岸和凹岸的曲率半徑；v為斷面的平均流速。

張玉萍[1]提出：因彎段前直段水流的慣性作用頂沖凹岸時(shí)，有部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能而使凹岸水面升高一定數(shù)值，高速水流下，該值不可忽略。頂沖水流的橫向分速vcos β的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能使水位升高值為:

式中，β為進(jìn)口直段軸線與彎段凹岸交點(diǎn)法線的交角，本工程為73°；λ為系數(shù)，近似取為1；v為斷面的平均流速。

根據(jù)上述公式，分別估算了泄洪洞閘門3.2 m全開和2.8 m局開下各特征洪水情況下彎道的橫向水面高差，閘門3.2 m全開時(shí)水面差計(jì)算值在4.72～6.33 m內(nèi)，實(shí)測(cè)值在5.2～6.25 m內(nèi)，閘門2.8 m局開時(shí)計(jì)算值在5.11～5.98 m內(nèi)，實(shí)測(cè)值在5.0～5.87 m內(nèi)。實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值相差不大。

4.2 彎道段的壓強(qiáng)

由量測(cè)結(jié)果可知，隨著庫(kù)水位升高，彎道段壓強(qiáng)也隨之增大。各庫(kù)水位下，彎道段凸岸側(cè)壁壓強(qiáng)沿程減小，之后隨著水深逐漸升高，壓強(qiáng)隨之增大。彎道段凹岸側(cè)壁壓強(qiáng)沿程增大，之后隨著水深逐漸降低，壓強(qiáng)隨之減小，凹岸側(cè)壁最大壓強(qiáng)出現(xiàn)于0+119.48斷面附近，因彎道段前直段水流在慣性作用下頂沖于凹岸0+119.48斷面附近，使得部分動(dòng)能轉(zhuǎn)為勢(shì)能。各庫(kù)水位下，彎道段底板和側(cè)壁壓強(qiáng)均為正值，未測(cè)到負(fù)壓，盡管流態(tài)很差，但不能斷定邊壁一定會(huì)破壞。

由于泄洪洞已經(jīng)建成，要想通過(guò)改變泄洪洞尺寸及改變彎道曲率半徑來(lái)解決彎道存在的問(wèn)題并不現(xiàn)實(shí)，因此優(yōu)化只能在既定條件下進(jìn)行。參考國(guó)內(nèi)外已建工程的工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)分析研究，提出如下方案進(jìn)行研究。

4.2.1 彎道段加設(shè)斜導(dǎo)流坎

斜坎[2]是一種小型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，其作用是改變彎道底部部分水流的方向，使部分水流從凹岸流向凸岸，達(dá)到凹岸和凸岸水流水深平衡。本模型分別做了矩形和梯形斜導(dǎo)流坎的模型試驗(yàn)。試驗(yàn)方案為：從彎道進(jìn)口到彎道末端加設(shè)5道斜導(dǎo)流坎，兩坎間距7.0 m，坎高0.25 m，斜導(dǎo)流坎和導(dǎo)線夾角為45°。斜坎型式具體布置如圖7所示。

圖7 矩形和梯形斜導(dǎo)流坎（單位：mm）Fig. 7 Rectangle oblique ridge and keystone oblique ridge（unit: mm）

實(shí)測(cè)加設(shè)斜導(dǎo)流坎后，水流流經(jīng)彎道時(shí)，彎道內(nèi)側(cè)水深相對(duì)增高，彎道水面差大為減小。水流流態(tài)變好，下直洞段折沖水流明顯減輕。對(duì)于彎道水流流態(tài)的改善，經(jīng)比較，矩形斜導(dǎo)流坎優(yōu)于梯形斜導(dǎo)流坎。但進(jìn)一步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加設(shè)斜導(dǎo)流坎后，在斜坎的右邊側(cè)壁、坎后底板和導(dǎo)流坎頂部均有出現(xiàn)負(fù)壓的情況，且負(fù)壓值很大，實(shí)測(cè)加設(shè)矩形斜坎后，在第二道導(dǎo)流坎后導(dǎo)流洞右側(cè)壁測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)最小壓強(qiáng)，其模型值為－0.57×9.8 kPa；加設(shè)梯形斜坎后，在梯形斜導(dǎo)流坎的頂部出現(xiàn)最小壓強(qiáng)，其模型值為－0.45×9.8 kPa，由于負(fù)壓值很大，容易出現(xiàn)空化水流問(wèn)題。因此，該方案不能采用。

4.2.2 限制下泄流量

導(dǎo)流泄洪洞閘門下壓至2.8 m開度，泄流量較閘門全開3.2 m泄量要小，下泄最大流量由346.74 m3/s減小到266.68 m3/s。由于流速在20 m/s左右，彎道段最大水面差仍很大，同一斷面實(shí)測(cè)最大水面差為5.87 m，下直洞段的折沖水流仍很嚴(yán)重，流態(tài)仍較為紊亂，但相比較閘門3.2 m全開工況，彎道水流和折沖水流明顯減弱。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)泄洪洞明流高速?gòu)澋浪鞯难芯?，得出?/p>

1）彎道水流流態(tài)及下直洞段的折沖水流流態(tài)很差；2）彎道水流使得彎道段和下直洞段過(guò)水?dāng)嗝娉叽缙?，在試?yàn)中對(duì)其采用工程措施進(jìn)行了完善。

明流泄洪洞水流在彎道的作用下，凸岸水位降低，凹岸水位升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起凹岸水流翻越洞頂。因此，對(duì)高流速明流泄洪洞，工程一般不選擇彎道布置。如果彎道布置難以避免，在設(shè)計(jì)彎道時(shí)應(yīng)注意高速水流所引起的彎道水流問(wèn)題。

由于本工程已建成，擴(kuò)大斷面不易實(shí)現(xiàn)，因此在彎道加5道矩形或梯形斜導(dǎo)流坎，彎道段和下直洞段流態(tài)有較大改善，但在斜導(dǎo)流坎的右邊側(cè)壁、導(dǎo)流坎后面的底板和導(dǎo)流坎的頂部出現(xiàn)負(fù)壓，且負(fù)壓值很大。工程最終采用限制泄洪洞下泄最大流量，限制閘門開度，水流流態(tài)得到了改善。

[1] 張玉萍. 彎道水力學(xué)研究現(xiàn)狀分析[J]. 武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33（5）：35-39，80.ZHANG Yuping. Simple analysis of present situation of bend channel hydraulics research[J]. Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electrical Engineering，2000，33（5）：35-39，80（in Chinese）.

[2] 劉小江，鄧軍，張葉林，等. 高速明流轉(zhuǎn)彎水力學(xué)問(wèn)題解決方案[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（5）: .LIU Xiaojiang，DENG Jun，ZHANG Yelin，et al. Discussion of the solution on the hydraulic problem of turning and high-speed open flow[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2012（5）:（in Chinese）.