涂小飞，邬 旺

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川省成都市 610072；2.中交第四航务工程局有限公司，广东省广州市 510290）

0 引言

本文以某水电站为依托，采用水力学模型试验的研究方法对导流洞过流的一系列指标进行验证和比较，得出导流洞出口体型的优化方案。

1 研究背景

某水电站导流设计标准为20年一遇，流量较大，受坝址区地形条件限制，2条导流洞均布置于河床右岸，导流洞出口采用斜向出洞的结构型式。设计过程中采用模型试验的方法对导流洞出口布置及结构体型进行优化。

原设计方案导流洞出口布置见图1。导流洞出口及下游河道水流流态如图2（a）、（b）所示，下游河道冲淤形态如图 2（c）、（d）所示。

图1 导流洞出口布置Figure 1 Layout of diversion tunnel outlet

通过对导流洞出口及下游河道水流流态、流速分布和河床冲淤形态的试验观测发现，原方案导流洞出口水流消能防冲主要存在以下问题：

（1）导流洞进出口底板落差较大（达11m），下游水位较低。当过流量较大时，导流洞出口为自由出流，水流与下游河道水面以面流形式衔接，消能效果较差。实测5年一遇流量时，导流洞出洞流速约为16.7m/s，出口右边墙末端水流流速约为14.6m/s， 20年一遇流量（设计流量）时，导流洞出洞流速约为20.2m/s，出口右边墙末端水流流速约为15.9m/s。

（2）导流洞轴线与河道交角过大，导流洞出流归槽性较差；当过流量较大时，右岸两条导流洞出流顶冲对岸，对左岸岸坡冲刷较严重，且部分水流顶冲岸坡后折向上游，在下游围堰处形成较大回流，对围堰稳定产生影响。设计流量时，下游围堰附近回流流速约3.9m/s，下游河道左岸岸边最大流速为7.1m/s，河道最大冲深点高程为2059.9m，比导流洞出口底板高程低22.1m，位于导流洞出口对岸附近。

2 基于模型试验的出口体型优化

2.1 修改方案一：增大导流洞出口边墙扩散角

为了改善导流洞出口水流归槽情况，减轻对左岸及下游河道的冲刷，在原布置方案基础上，修改方案一将1号导流洞出口右边墙的扩散角由6°增大至9°，2号导流洞出口右边墙的扩散角由6°增大至12°［1］，出口体型布置详见图3。

试验结果表明，导流洞出口右边墙扩散角增大后，导流洞出口水流归槽性仍较差，导流洞出流仍顶冲对岸。由于导流洞出口底板高程维持不变，导流洞过流量较大时，出口水流为面流消能，消能效果较差，水流对下游河道冲刷较严重［2］。实测设计流量时，修改方案一导流洞出洞流速为 20.2m/s，下游围堰附近回流流速约为3.2m/s，下游河道左岸岸边最大流速约为6.5m/s，下游河道最大冲深点高程为2060.00m，比导流洞出口底板高程低22.00m，位于导流洞出口对岸附近。同时，导流洞出口边墙扩散角过大，出洞水流在强惯性作用下，出口边墙将出现水流脱流现象［3］，设计流量下导流洞出口水流流态及河道冲淤形态见图4。

图2 原设计方案导流洞出口水流流态及下游河道冲淤形态（a） 5年一遇流量出口水流流态；（b） 20年一遇流量出口水流流态；（c） 5年一遇流量河道冲淤形态；（d） 20年一遇流量河道冲淤形态Figure 2 Flow pattern and river erosion of previous scheme（a）Flow pattern of 20% frequency flood；（b）Flow pattern of 5%frequency flood；（c）River erosion of 20% frequency flood；（d）River erosion of 5% frequency flood

图3 修改方案一导流洞出口体型布置图（注：图中桩号及尺寸均以m计）Figure 3 Layout of diversion tunnel outlet（scheme 1）

因此，仅通过增大导流洞出口右边墙扩散角，对改善水流归槽性效果有限，导流洞体型仍需修改。

2.2 修改方案二：导流洞底板高程及洞线优化调整

为了继续改善出口水流归槽性和消能效果，在满足现场施工和出口地形条件下，修改方案二将1号、2号导流洞全洞降低2m，1号导流洞轴线向下游偏转5°，2号导流洞轴线向下游偏转6°，1号、2号导流洞出口左边墙采用扭面型式，边墙不扩散，右边墙均扩散9°。1号导流洞出口右边墙60m开始以半径400m的圆弧与下游岸坡地形衔接［4］。修改方案二导流洞出口体型布置详见图5。

试验结果表明，导流洞底板高程及洞线调整后，出口水流归槽性及水流消能效果改善明显，导流洞出流对下游河道冲刷大大减轻；设计流量时，修改方案二导流洞出洞流速约为18.9m/s，下游河道左岸岸边最大流速约为6.1m/s，下游河道最大冲深点高程约为2066.20m，位于导流洞出口对岸附近，较修改方案一浅6.2m。

设计流量时，1号导流洞出口水流为急流，出口左边墙外侧水面高于内侧，水流翻过左边墙横向汇入主流，在主流裹挟下泄途中碰撞到右侧地形，水流流向向上游发生偏转顶冲对岸，部分水流折向上游，在下游围堰处形成较大回流，回流流速达2.9m/s，对下游围堰稳定不利。设计流量下导流洞出口水流流态及河道冲淤形态见图6。

2.3 修改方案三：出口底板高程调低2m

图4 修改方案一设计流量时导流洞出口水流流态及河道冲淤形态（a）导流洞出口及下游河道；（b）2号导流洞出口水流流态；（c）下游河道冲淤形态Figure 4 Flow pattern and river erosion of scheme 1（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel 2；（c）River erosion condition

图5 修改方案二导流洞出口体型布置图（注：图中桩号及尺寸均以m计）Figure 5 Layout of diversion tunnel outlet（scheme 2）

针对修改方案二下游围堰处回流较大的问题，修改方案三将1号洞出口左边墙末端高程加高4m，由2092m加高至2096m。同时，对1号洞出口右侧地形适当扩挖，从右边墙40m开始以半径250m的圆弧与下游岸坡地形衔接；出口体型布置详见图7。

试验结果表明，1号导流洞出口左边墙加高、右侧地形扩挖后，导流洞出口水流归槽较好，左边墙外侧水流汇入主流引起流向偏转，造成围堰处回流较大的现象有所改善［5］，但左边墙下游仍有部分水流横向汇入下泄主流，导致主流流向不稳定，下游围堰处间歇性出现较大回流现象；实测设计流量时，修改方案三导流洞下游围堰附近最大回流流速约为2.3m/s，下游河道左岸岸边最大流速约为5.6m/s，下游河道最大冲深点高程为2066.70m，位于导流洞出口对岸附近，与修改方案二相当。设计流量下导流洞出口水流流态及河道冲淤形态见图8。

2.4 修改方案四：改变导流洞出口边墙形式

为了增加导流洞下泄水流的稳定性，进一步减小下游围堰处的回流流速，试验对比了不同的导流洞出口左边墙长度、高度及型式［6］。

修改方案四：在修改方案三基础上，将1号、2号导流洞出口左边墙由扭面式改为直立式。

试验结果表明，修改方案四将导流洞出口左边墙改为直墙后，导流洞出口水流归槽性及下游围堰处水流稳定性较修改方案三有所改善；设计流量时，修改方案四下游围堰处最大回流流速约为2.1m/s，较修改方案三减小0.2m/s；下游河道左岸岸边最大流速约为5.6m/s，下游河道最大冲深点高程约为2066.50m，与修改方案三相当。设计流量下导流洞出口水流流态及河道冲淤形态见图9。

2.5 修改方案五：下游围堰上移20m

由于1号导流洞出口距下游围堰较近，下游围堰处水流不稳定，考虑下游围堰布置有一定上移空间，为降低出口水流对下游围堰的冲刷，在修改方案四的基础上将下游围堰向上移20m。

图6 修改方案二设计流量时导流洞出口水流流态及河道冲淤形态（a）导流洞出口及下游河道；（b）2号导流洞出口水流流态；（c）下游河道冲淤形态Figure 6 Flow pattern and river erosion of scheme 2（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel 2；（c）River erosion condition

图7 修改方案三导流洞出口体型布置图（注：图中桩号及尺寸均以m计）Figure 7 Layout of diversion tunnel outlet（scheme 3）

图8 修改方案三设计流量时导流洞出口水流流态及河道冲淤形态（a）导流洞出口及下游；（b）下游河道冲淤形态Figure 8 Flow pattern and river erosion of scheme 3（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）River erosion condition

试验结果表明，设计流量时，下游围堰处最大回流流速约为1.6m/s，对下游围堰冲刷较小。设计流量下导流洞出口水流流态及河道冲淤形态见图10，流速分布及冲淤地形见图11。

设计流量下修改方案一～方案五下游河道水力特性比较见表1，修改方案五下游围堰处最大回流流速最小，对下游围堰冲刷小，下游河道冲坑深度小，可作为最终的推荐方案。

表1 设计流量下修改方案一～方案五下游河道 水力特性值比较Table 1 Hydraulic characteristics of scheme 1 ～ 5

3 结论

经模型试验验证，各级流量下，推荐方案导流洞出流归槽性较好，水流对下游河道及左岸岸坡冲刷较原方案明显减轻。5年一遇及其以下流量时，导流洞出流对下游河床及左岸岸坡冲刷较轻，冲坑最深点位于河床中心［7］。设计流量时，1号导流洞出口左边墙及导流洞出口左岸流速较大，河床冲深较深，建议对该区域进行适当防护。

图9 修改方案四设计流量时导流洞出口水流流态及河道冲淤形态（a）导流洞出口及下游河道；（b）2号导流洞出口水流流态；（c）下游河道冲淤形态Figure 9 Flow pattern and river erosion of scheme 4（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel 2；（c）River erosion condition

图10 修改方案五设计流量时导流洞出口水流流态及河道冲淤形态（a）导流洞出口及下游河道；（b）下游河道冲淤形态Figure 10 Flow pattern and river erosion of scheme 5（at design flow）（a）Flow pattern at the outlet of diversion tunnel；（b）River erosion condition

图11 修改方案五设计流量时流速分布及冲淤地形图（单位：m）Figure 11 Flow velocity and river erosion condition of scheme 5（at design flow）

以上研究成果对于本工程导流洞出口体型优化设计具有重要意义，对类似工程的设计有一定的参考意义。由于水力学模型试验的局限性和复杂性［8］，对于不同地质情况及工程布置下的导流洞出口体型优化仍需进行针对性深入研究。