韩力球， 孙东坡， 赵旭润, 董明家

(1.华北水利水电大学 水力学及河流研究所,河南 郑州 450045;2.中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

某抽水蓄能电站拦沙库泄洪排沙系统的水力特性研究

韩力球1， 孙东坡1， 赵旭润2, 董明家1

(1.华北水利水电大学 水力学及河流研究所,河南 郑州 450045;2.中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

以某抽水蓄能电站下水库泄洪排沙洞为研究对象，利用相似理论建立了比尺模型,该模型通过了河道阻力试验验证。试验中，观测了不同水力条件下的洞内水流流态、水面线、流速、消能状况以及下游护岸冲刷情况。试验观测结果表明，泄洪排沙洞进口流态平顺、泄流能力及隧洞段流态均满足设计要求，但陡坡扩散段以下的急流涵洞段出现水跃闷洞、明渠深度不足、出口扩散段不能集中拉沙等问题。基于调整纵坡、协调各段输水能力、抑制水跃强度的修改思路，进行了优化修改试验。经多次比对试验，最终确定了优化修改方案，解决了涵洞段与明渠段水流衔接的协调性。修改方案较合理地控制了洞内水深，消除了明流洞水跃壅塞现象，改善了洞内流态；同时，增设扩散段输沙槽，有效提高了小流量集中拉沙的能力，满足了不同水流条件下的泄流安全要求。该研究成果对类似工程设计与安全运行具有一定的参考价值。

明流洞；流态；水跃；闷洞；流速分布；河床冲刷

1 工程概况

某抽水蓄能电站下水库地处滦河主河道，有四大泄水建筑物：拦沙库泄洪排沙洞、拦沙库溢洪道、蓄能库泄洪放空洞和蓄能专用库溢洪道。由于泄水通道密集、泄洪组合多样，以及这些建筑物间的相互影响，特别是拦沙库泄洪排沙洞，它的洞线长，地理环境复杂，不同运用方式的结果差异较大，其泄流能力、明流洞流态及消能效果、出口衔接及防冲等一系列水力学问题需要进行研究论证[1]。

拦沙库泄洪排沙系统兼有放空拦沙库及泄洪排沙功能，其总体结构由6部分组成：进口段、明流隧洞段[2]、陡坡扩散段、明流涵洞段、消力池及梯形明渠段[3]。该系统采用短有压进口接明流泄洪洞的形式，进口(0+000)底板高程1 024.0 m。泄洪排沙洞全长2 640.0 m，其中有压进水塔段长20.0 m，工作闸门尺寸为4.0 m×4.5 m(宽×高)；无压明流隧洞断面为城门洞型，宽×高为5.0 m×6.5 m，隧洞前段长1 985.0 m，底坡坡降i=0.012 4；下接30 m陡坡扩散段，底宽由5.0 m扩至6.0 m，底坡坡降i=0.220 0；再接292.0 m城门洞型涵洞段，底坡坡降i=0.009 0，底宽6.0 m，涵洞高6.2 m。之后接长25.0 m、宽6.0 m、深3.1 m的平坡消力池，经反坡升坎与下游梯形明渠衔接，明渠段长210.0 m、底宽6.0 m、边坡系数为1.8，末端高程1 013.7 m。然后是与下游河床衔接的平坡扩散段，末端设有防冲齿墙。系统总体布置如平面图1和剖面图2所示。出口河道防护堤采用混凝土板护坡，坡脚抛石防护，迎水面边坡1∶1.8，背水面边坡1∶2。

本文拟通过正态水工模型试验研究泄洪排沙系统的水力特性[4]，为了真实地反映出口流态，下游河道采用动床模拟[5-6]。主要研究内容有泄洪排沙洞的泄流能力、进口流态、无压洞身段水面线、扩散段及下游出口流态[7-8]；测量不同洪水条件的洞身段和下游扩散段流速、水深及边岸冲刷深度；分析系统流态及其存在的问题，提出优化修改方案[9-10]。

图2 泄洪排沙洞纵剖面(单位：m)

2 水工模型试验

2.1 试验工况

泄水建筑物的设计洪水标准为200年一遇洪水，校核洪水标准为2 000年一遇洪水；根据试验研究任务，确定主要试验工况为设计洪水、校核洪水以及常遇洪水。试验工况主要参数见表1。

表1 试验工况参数

2.2 模型设计

2.2.1 水流运动相似准则

依据满足主导力相似的原则，在水流相似方面应按重力相似准则设计模型，并满足紊动阻力相似要求，即模型设计满足下列条件：

水流重力相似条件：

(1)

水流紊动阻力相似条件：

(2)

式中：λ为比尺；下角标U、J、n分别表示垂线平均流速、比降和糙率；下角标L、H分别表示水平与铅锤尺度。

2.2.2 泥沙起动相似准则

下游河道河床多为卵砾石，以冲刷为主；按泥沙起动相似准则选择模型床沙。模型设计满足下列条件：

泥沙起动相似条件：

λUc=λU。

(3)

松散床沙起动流速为：

(4)

式中：Uc为床沙起动流速；h为水深；γs、γ分别为泥沙和水流的密度；g为重力加速度；m为指数；D为床沙粒径。大量泥沙起动的水槽试验表明，m取7较为合适[11]。

(5)

若选择模型床沙为天然沙，则λD=λL。

按照水利水电工程模型试验规程中关于模型比尺设计的要求[12]，经比选后确定：模型几何比尺λL=55，糙率比尺λn=1.95；模型床沙选择天然沙，粒径比尺λD=55[13]。

经河道现场查勘取样得床沙中值粒径D50=35～55 mm，则模型沙中值粒径D50=0.64～1.00 mm。

2.3 模型制作与量测断面布置

1)根据阻力相似要求，泄洪排沙洞进口、闸室、闸墩、渐变段洞身、消力池及明渠段等部位均采用有机玻璃制作；考虑到无压洞洞身的通气状态，试验时明流洞段采用开敞式观测。出口扩散段采用混凝土精细预制并进行涂腊光滑处理，满足糙率相似要求。排沙洞根据平面布置及规程[12]精度要求进行安装。

2)下游河道地形根据河道原始地形图，用55 m间隔(原型)的河道大断面进行控制，铺设模型沙，局部地形变化较大处进行加密控制[14]。泄洪排沙系统的量测断面布设如图1所示。

2.4 下游河道模型阻力率定

为了检验模型下游动床河道的紊动阻力相似要求，根据提供的下游河道各特征断面水位、流量关系，经过模型放水复核，河道沿程水面线最大误差不超过0.11 m。这表明，动床正态模型能够复演原型水流特性，满足模型河道阻力(糙率)相似的要求，下游河道水位率定情况见表2。

表2 下游河道水位率定(200年一遇洪水)情况

3 试验成果及分析

3.1 过流能力与进口流态

对泄洪排沙洞进行了逐级水位的流量量测与进口流态观测。当库水位低于1 053.00 m时(包括常遇洪水Q=100 m3/s，水位1 052.00 m)，排沙洞为无压进流，流态平稳，进流顺畅。水位超过1 053.00 m以后，排沙洞转为有压进流。设计洪水位时，进口流态整体平稳，进流顺畅；左岸虽有间歇出现的立轴漩涡游移(原型持续时间1～3 min)，但强度很低，如图3所示。洞口前的实测流速沿垂线分布如图4所示，图中显示进流比较平顺。

图3 泄洪排沙洞进口流态

图4 泄洪排沙洞前流速沿垂线分布

模型实测排沙洞进口水位-流量关系如图5所示。由图5可以看出，实际泄洪排沙洞的过流能力比设计值要略高些：超泄率ΔQ/Q在设计洪水位时约为5%，在校核洪水位时约为6%，表明排沙洞过流能力满足设计要求。

图5 泄洪排沙洞水位-流量关系

3.2 陡坡前隧洞段流态

根据模型试验观测结果，水流过收缩断面后在隧洞内呈现急流流态，为c型壅水曲线。随着库水位的升高、流量的增加，隧洞段水深也相应增加[15]。当库水位增至设计洪水位时，隧洞内最大水深约为4.95 m；当库水位增至校核洪水位时，隧洞内最大水深约为5.15 m；水深沿程分布情况如图6所示，洞内净空余幅均满足规范要求[12]。

(a) 泄洪排沙洞(隧洞段)(桩号0+17.5—0+586)

(b) 隧洞段(桩号0+586—1+986)

图6中洞内流速沿程变化的特点是：从收缩断面开始，流速沿程逐渐降低，至桩号0+585(桩号零点为泄洪排沙洞进口)附近水流接近均匀流动。此后水深、流速沿程变化不大；直至桩号1+800以后，受陡坡扩散段降水的影响，水深减小、流速相应增加。设计洪水位时，隧洞内流速最大值约13.71 m/s，校核洪水位时，隧洞内流速最大值约14.73 m/s，隧洞流速沿程分布如图7所示。

(a) 隧洞段(桩号0+17.5—0+586)

(b) 隧洞段(桩号0+586—1+950)

3.3 陡坡后涵洞段及明渠段流态

在桩号2+021以下受设计的反坡升坎消力池的影响，在各工况泄流时，洞身段均出现水跃，最大跃后水深达6.0 m以上，出现洞内闷顶，流态如图8所示。由于无压涵洞段出现水跃，下游梯形明渠底坡又很小，故入渠水头较高。在设计洪水和校核洪水时，明渠水深4.7～5.5 m，渠道深度不足，个别渠段有漫溢现象[16]。明渠末端扩散段水流以涌浪进入河道，如图9所示。在小流量时扩散段水流宽浅分散，存在拉沙无力的问题。

图8 设计洪水流态

图9 设计洪水明渠扩散段流态

4 方案修订及其试验结果

4.1 原设计方案中的问题

原设计方案中出现的问题是，在泄洪情况下洞内存在水跃。主要制约因素：一是在桩号2+249处有一过渠桥梁，桥梁底板高程限制了洞顶高程；二是消力池末端水位(入渠水头)偏高[17]。要想解决原方案中的问题，必须基于桩号2+249处的洞顶高程的限制，设法调整各段纵坡与断面尺寸；降低入渠水头，消除或减弱水跃强度。同时还要考虑小流量时也能顺利排沙，减少渠道淤积，尽可能在有利于输水的同时也有利于排沙，这是一个多因素制约的问题。

4.2 修改方案及其试验结果

基于统筹考虑，经过多次修改试验对比，获得比较好的修改方案：①提高涵洞段底坡坡降(i=0.011 0)和底宽(7 m)；②改消力池升坎为反坡过渡段；③增大梯形明渠段底坡坡降(i=0.003 0)和底宽(7 m)；④在末端扩散段修建一条底宽7 m的排沙槽直通河道。修改前后的模型实测水力要素对比见表3。

表3 试验方案修改前后的水力要素对比

由表3可以看出，修改方案后试验水流明显稳定[18]。

设计和校核流量下，洞内水流湍急，流态平稳，水跃均出洞，表现为涌浪形式，其最大水深为3.74 m，均未达到直墙高度，净空余幅均满足设计规范[12]的要求，如图10—11所示。

图10 设计流量时平坡扩散段涌浪流态

图11 校核流量时洞身流态

在Q=100 m3/s时，水跃进入扩散式平坡段(2+292断面)；涵洞出口断面水深5.0 m，满足净空余幅15%的要求。方案修改后，过渠桥梁轴线断面的底板高程为1 012.20 m；相应涵洞出口断面的底板高程为1 011.67 m。在泄流过程中，这两个断面都要经历不同的流态。在经历急流时，水深均小于临界水深，水浅流急；而在进入缓流时，则水深流缓；水跃未到时水深大，水跃过后水深变小，水位呈二次曲线变化[19]。经过修改后的水跃强度降低，解决了闷洞问题，如图12所示。梯形明渠段水流运行平稳，深度也满足要求，如图13所示。

图12 水跃发生处流态

在设计洪水与校核洪水情况下，明渠扩散段水流冲入河道后，形成带状涌浪，沿程摩擦消能，流速衰减[20]，主流流速及位置如图14所示，并见表4。实测主流离边岸尚有一段距离，边岸流速一般为0.5～1.5 m/s；水流出扩散段后，护坦末端形成局部冲刷坑，最大冲刷集中在拉沙槽出口以下，最大深度5.0～6.0 m，其范围如图15所示。同时在扩散段右侧形成近岸冲刷带，一般冲刷带宽5.0～8.0 m,范围如图15所示，冲刷深度一般在1.4～1.8 m，沿程呈波状变化，冲刷最深达2.0 m，对右侧护岸工程影响不大。在小流量时水流集中在扩散段排沙槽内，动量增强，槽内流速提高25%，这将会起到更强的拉沙作用，如图15所示。

图13 设计流量时明渠段水深沿程变化

图14 校核洪水时出口扩散段后主流位置

图15 Q=100 m3/s流量时扩散段出口

桩号校核洪水(Q=266m3/s)距右堤距离/m流速/(m/s)设计洪水(Q=246m3/s)距右堤距离/m流速/(m/s)常遇洪水(Q=100m3/s)距右堤距离/m流速/(m/s)2+537147.44147.19144.232+559167.63167.56166.082+581137.56146.53226.382+603146.05146.53355.27

5 结语

1)验证试验表明，正态水工模型(局部动床)的设计是合理的，满足紊动阻力相似要求，可以进行泄洪排沙洞的水力试验研究。

2)泄洪排沙洞的过流能力满足设计要求，超泄率ΔQ/Q为5%～6%，隧洞段洞顶余幅满足设计规范[12]要求。

3)原设计涵洞段与下游明渠段泄流条件差，出现明流洞壅堵，必须调整相关流段的布置与体型。

4)基于抑制水跃强度、调整纵坡的修改思路，进行了优化修改试验；通过提高涵洞段与明渠段的过流能力，消除了明流洞水跃壅塞现象，同时也提高了出口扩散段小流量集中拉沙的能力。

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(责任编辑：杜明侠)

Study on Hydraulic Characteristics of Flood and Sediment Discharge System of Sediment Storage Bins in a Pumped Storage Power Station

HAN Liqiu1， SUN Dongpo1， ZHAO Xurun2, DONG Mingjia1

(1.Hydraulic and River Institute, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;2.Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

Based on the similarity theory, a scale model which focused on the flood and sediment discharge tunnel of the lower reservoir of pumped storage power station was established and verified by river resistance. The water flow regime, water surface profile, velocity, energy dissipation and erosion of the downstream revetment were observed under different hydraulic conditions in an experiment. The experimental research results show that the flow pattern in the inlet of the flood and sediment discharge tunnel is smooth, the discharge capacity and the flow regime of tunnel section meet the design requirements. But there still remain some problems about the excessive water level in the tunnel, the insufficiency of channel water depth, the incapacity of sediment concentration in export diffusion section. Based on the modified ideas of the adjustment of longitudinal slope, coordination of each section of water transport capacity and inhibition of water jump strength, the optimal modification test was conducted. After a number of comparison tests, the optimal modification scheme was finally determined and the coordination between the culvert section and the open channel section was solved. Because the modification scheme can control the water depth within the tunnel more reasonably, the phenomenon of water jump in the open channel is eliminated and the flow pattern in the cavity is improved. At the same time, the addition of diffusion section of the sediment transport tank also effectively improve the ability of the sediment concentration of small flow and meet the different flow conditions under the discharge safety requirements. Research results have certain reference value for similar engineering design and safe operation.

free-flow tunnel; flow regime; hydraulic jump; choked tunnel; velocity distribution; bed scour

2016-10-20

国家自然科学基金项目(51079055)。

韩力球(1991—),男,浙江绍兴人，硕士研究生，从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail:hanliqiu1991@163.com。

孙东坡 (1952—),男,河南郑州人，教授，博导，博士，从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail:sundongpo@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.016

TV131.6

A

1002-5634(2017)01-0080-07