前坪水库泄洪洞泄流能力及冲刷消能试验研究

赵雪萍 李宜伦 赵玉良 李松平 袁群 贾文博 苏晓玉

摘 要：为了验证前坪水库泄洪洞原布置方案的合理性，根据弗劳德定律，采用1∶40的单体正态模型进行试验，研究了泄洪洞各试验工况下的泄流能力、时均压力分布、水面线及洞身余幅、消能防冲效果等。结果表明：前坪水库泄洪洞泄流能力满足要求;泄洪洞检修闸门槽最小空化数1.23，大于闸门初生空化数0.7，闸门槽设计合理，满足规范要求;泄洪洞洞身掺气水深均小于直墙高度，洞身余幅均大于15%，满足设计和规范要求;校核工况下，泄洪洞冲坑最深点高程为327.34 m，水流对下游山体造成一定的冲刷，需要对山体采取抗冲刷措施。

关键词：模型试验;泄流能力;水流空化数;洞身余幅;冲刷坑;前坪水库

中图分类号：TV131.61 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.025

引用格式：赵雪萍，李宜伦，赵玉良，等.前坪水库泄洪洞泄流能力及冲刷消能试验研究[J].人民黄河，2021，43（4）：134-136.

Abstract： In order to verify the rationality of the original layout scheme of the spillway tunnel of Qianping Reservoir， according to Froudes law， the discharge capacity， time average pressure distribution， water surface profile and residual amplitude of tunnel body， energy dissipation and scour prevention under various test conditions were studied by using a 1∶40 monomer normal model. The test results show that the discharge capacity of the spillway tunnel of Qianping Reservoir meets the requirements， and the minimum cavitation number of the maintenance gate slot of the spillway tunnel is 1.23， which is 0.7 greater than that of the initial cavitation number. The gate slot design is reasonable and meets the requirements of the specification. The aerated water depth of the flood discharge tunnel body is less than the height of the vertical wall， and the residual amplitude of the tunnel body is more than 15%， which meets the design and specification requirements. Under the check condition， the elevation of the deepest point of the flood discharge tunnel is 327.34 m， and the water flow causes certain scouring on the downstream mountain， so it is necessary to take anti scouring measures for the opposite mountain.

Key words： model test; discharge capacity; water flow cavitation number; residual width of tunnel body; scour pit; Qianping Reservoir

1 工程概況

河南省前坪水库位于洛阳市汝阳县前坪村附近，是国家172项重大水利工程建设项目之一，水库控制流域面积1 325 km2，总库容5.90亿m3，为Ⅱ等大（2）型工程。枢纽工程由主副坝、泄洪洞、溢洪道、输水洞及消能防冲建筑物等组成。

泄洪洞布置在溢洪道左侧，轴线总长689 m，进口洞底高程为360.00 m，进口顶部为一椭圆形曲线（曲线方程为x2/7.52+y2/2.52=1），控制段采用闸室有压短管式，闸孔尺寸为6.5 m×7.5 m（宽×高），洞身采用无压城门洞形隧洞，断面尺寸为7.5 m×8.4 m+2.1 m（宽×直墙高+拱高），洞身段长度为518 m，出口消能方式采用挑流消能，鼻坎高程为351.75 m。设检修闸门和工作闸门：检修平板钢闸门尺寸为6.5 m×8.7 m（宽×高），采用固定式卷扬启闭机启闭;检修门后设弧形工作钢闸门，工作闸门孔口尺寸为6.5 m×7.5 m（宽×高），采用液压启闭机启闭。为验证前坪水库泄洪洞原设计体形布置方案的合理性，采用几何比尺1∶40单体正态模型试验对前坪水库泄洪洞的水力特性进行了试验研究，并提出了泄洪洞原设计体形存在的问题和优化方案，为该工程的设计和运行管理提供可靠的理论依据。

2 模型制作及试验方案

2.1 模型制作

按弗劳德定律[1-3]设计模型，模型为正态模型，几何比尺Lr=40，模拟范围主要包括泄洪洞进口部分库区、引渠段、闸室段、洞身段、出口挑流消能段、下游主河槽及两岸山体。模拟范围为泄洪洞轴线进口以上80 m处至挑流鼻坎以下200 m，总长度890 m;为不影响泄洪洞进口水流，模型宽度满足水箱边墙到泄洪洞进口两侧宽度大于进水口总宽4倍的要求;模型高度满足校核洪水的超高控制要求。

根据糙率相似准则[1-3]，泄洪洞进口引水渠和出口翼墙用水泥砂浆抹面;泄洪洞进出口和洞身采用有机玻璃制作;模型主河槽及兩岸山体采用水泥粗砂浆粉面拉毛。

2.2 试验工况

试验的3种特征工况为：①50 a一遇洪水，库水位417.20 m，设计流量1 334 m3/s;②500 a一遇（设计）洪水，库水位418.36 m，设计流量1 350 m3/s;③5 000 a一遇（校核）洪水，库水位422.41 m，设计流量1 402 m3/s。

3 水力特性试验结果与分析

3.1 泄流能力

泄洪洞各特征工况下泄流能力试验结果见表1。工况①时泄洪洞试验流量为1 388 m3/s，比原设计值增加4.05%;工况②时泄洪洞试验流量为1 407 m3/s，比原设计值增加4.22%;工况③时泄洪洞试验流量为1 464 m3/s，比原设计值增加4.42%，由此可见泄洪洞的泄流能力满足设计要求。

3.2 水流流态及流速

当水位高于360.00 m时，泄洪洞开始过流，水流缓慢平顺通过闸室流向下游，水流经过闸室以后在泄洪洞内形成水跃。水跃随着水位的升高旋滚逐渐加剧，并向下游推移（洞内无水流封顶的现象）。当水位上升至368.23 m时，水流经挑流鼻坎挑流向下游。

试验观测发现，水位为367.50 m时，斜压板末端与过闸水流完全接触，顶板对过闸水流的约束作用开始显现（见图1）。当水位继续升高至374.80 m附近时，泄洪洞进口塔架前方出现了直径约0.6 m的逆时针间歇性游荡旋涡，能看到明显气柱，随着水位的上升，旋涡间断不连续，时而出现时而消失。在水位升高至379.30 m附近时，旋涡直径开始变小，仅表面下陷不再贯通，每次出现的间隔时间比较长且迅速消失。水位升至385.33 m附近时，在塔架前方进口右侧间断形成直径约0.9 m的顺时针游荡旋涡，塔架前方左侧偶尔形成直径约0.5 m的逆时针游荡旋涡，此时两旋涡都不贯通仅表面下陷，并且两旋涡时而并存，时而交替出现（见图2）。水位升至389.20 m附近时，基本无旋涡，偶尔随着进口右侧水体的旋转产生顺时针直径不大于1 m的表层未贯通旋涡。水位升至395.95 m附近后，进口表面水体沿塔架周围顺时针缓慢转动，无旋涡产生。

由试验结果可知，水位为417.20 m时，洞内流速范围为17.97～27.09 m/s;水位为418.36 m时，洞内流速范围为19.84～27.88 m/s;水位为422.41 m时，洞内流速范围为20.80～28.55 m/s。最大流速出现在0+042断面，为28.55 m/s;最小流速出现在0+575.60处，为13.70 m/s。

3.3 起挑、收挑

根据试验观测可知，泄洪洞闸门在局部开启和全部开启的情况下，水流起挑前均在洞内形成水跃，水跃强度较弱，跃后水深小，跃后水流并没有封顶。泄洪洞起挑前洞内流态见图3。随着闸门开度的增大，起挑、收挑水位逐渐降低，相应的流量逐渐增大。闸门全开时，起挑水位为368.23 m，起挑流量为277.12 m3/s;收挑水位为366.44 m，收挑流量为222.36 m3/s。

3.4 动水时均压力

（1）顶板动水时均压力。泄洪洞进口顶板动水时均压力在各种工况下变化趋势基本一致，进口顶板椭圆曲线段压力缓慢下降，表现为水流收缩;压板起始段压力较大，表现为水流冲击作用，压力在该处变化大。各级工况下，除桩号0+000.50处出现负压外，其余均为正压，且随着库水位的升高压力变化趋于平缓。工况①桩号0+000.50处顶板的负压水头为-3.73 m，工况②桩号0+000.50处顶板的负压水头为-3.17 m，工况③桩号0+000.50处顶板的负压水头为-3.01 m。

（2）闸门槽动水时均压力及水流空化数。泄洪洞检修门槽宽3.0 m、深1.60 m，宽深比1.88;该门槽为Ⅰ型门槽，初生空化数为0.7。根据试验成果可知，实测的最小空化数为1.23，大于闸门初生空化数0.7，闸门发生空蚀破坏的可能性较小，闸门槽设计合理，满足规范要求。

（3）底板动水时均压力。泄洪洞底板时均压力在各级工况下，除桩号0+032处出现负压外，其余均为正压。工况①桩号0+032处底板的负压水头为-0.85 m，工况②桩号0+032处底板的负压水头为-1.01 m，工况③桩号0+032处底板的负压水头为-1.33 m。建议施工时严格控制闸室段的平整度[4-8]。

3.5 水面线及洞顶余幅

水流出有压短管跌落后逐渐加速，水深沿程递减。沿洞身掺气水深[9]最大值即余幅最小值位于洞出口前0+550断面附近，工况①对应最小余幅为22.26%，工况②对应最小余幅为21.55%，工况③对应最小余幅为19.29%。各工况下，泄洪洞洞身掺气水深均小于直墙高度，洞身余幅均大于15%，满足设计和规范要求。

4 冲刷消能研究

本试验为下游局部动床试验，采用岩块几何缩制法与抗冲流速相似法相结合的综合模拟方法。覆盖层根据现场取样筛分试验结果采用几何缩制法来模拟;基岩模拟根据抗冲流速相似法确定基岩冲刷的模型砂[10-12]。模型砂粒经Dm根据基岩的抗冲流速Vp确定（下标p表示原型、m表示模型），Vp=（5～7）D0.5p或Vm=（5～7）D0.5m、Vm=Vp/L0.5r。根据前坪水库地质资料，可以认定泄洪洞轴线下游基岩岩性为辉绿岩，由《水力学计算手册》查得，原型抗冲流速为22 m/s，相应的模型流速为3.48 m/s，基岩可采用对应流速的散粒砾石体来模拟。

工况①泄洪洞挑距为44 m，泄洪洞冲坑最深点高程为329.50 m;工况②泄洪洞的挑距为46 m，泄洪洞冲坑最深点高程为329.18 m;工况③泄洪洞的挑距为48 m，泄洪洞冲坑最深点高程为327.34 m。

5 结论与建议

通过模型试验模拟了前坪水库泄洪洞水流运动规律，验证了泄洪洞各水力特性均满足设计要求;通过下游冲刷试验研究发现，水流对下游山体造成一定的冲刷，建议对泄洪洞出口下游山体采取防护措施;研究成果为该工程的设计和运行管理提供了理论依据。

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【责任编辑 张华岩】