（水力学及河流动力学专业论文）引水遂洞洞内消能水工模型试验的研究.pdf

引水隧洞洞内消能问题的研究 摘要 近年来，随着国民经济的快速发展，对水的需求不断增加，跨流 域调水工程在全国许多地区进行规划和建设中。特别是南水北调西线 工程，位于青藏高原东南部，将引长江水调入黄河，其海拔高度均在 3 0 0 0 m 以上，需要建坝壅高水位，开凿隧洞引水。根据坝区地形特点 和工程建设运行条件，大多采用定流量、变水头的无压隧洞引水，水 流消能设施布置十分困难。采取洞内消能是解决这个难题的有效途 径。 本课题结合南水北调西线工程一期阿安输水工程的整体水工模 型试验，根据定流量、变水头的无压洞引水的特点，研究确定采用洞 内水流衔接和底流消能设施的合理结构形式，确保输水的安全。 通过模型试验成果的分析，证明进口段的体型设计是合理的；闸 门下游采用渐扩式边墙，各种工况下，均呈现“自由射流”，不需在 跌坎底部两侧布置通气管；由于水跃区的强烈紊动，加上消力池尾部 反坡过渡段的阻水作用，消力池跃后段底部存在回流，将水跃主流挤 向表层，使得跃后段水面波动较强，甚至出现明满流交替的现象，影 响明流输水隧洞的输水安全。 通过模型试验研究，采用加设稳流板、消波栅和压波板等工程措 施基本消除跃后段底部的回流，稳定了波动的水面，确保洞内的洞顶 余幅要求和输水安全。 模型试验中还采用自制的掺气测量仪器和电容式掺气传感器进 行掺气量的测量。验证掺气坎的掺气作用可以保护溢流面免遭孔蚀破 坏。同时对两者方法所测得的试验成果对比分析，分析影响自制掺气 测量仪器精度的因素。 通过本课题模型试验的初步研究表明，底流斜坡水跃的消能和辅 助消能设施相结合，高水头运行时，水跃的消能率较高，消力池中可 将水流的能量消除8 0 左右，洞内采用此消力池的形式及尺寸是可 行的。设置的辅助消能、消波设施消除跃后的重力波是很明显的，洞 顶余幅可达到1 8 以上，使其不会发生明满流交替的现象。本课题 的试验成果可以作为南水北调西线阿安输水洞设计的依据，也给类似 的工程设计提供参考。 关键词：洞内消能，消力池，斜坡水跃，辅助消能工，掺气量。 引水隧洞洞内消能问题的研究 摘要 r e s e a r c hs u m m a r yo nt h ee n e r g y d i s s i p a t i o ni n s i d ew a t e rd i v e r s i o nt u n n e l i nr e c e n ty e a r s 谢mt h er a p i dd e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y , t h e d e m a n df o rw a t e ri s c o n t i n u o u s l yi n c r e a s e d ，a n dt h ew a t e rd i v e r s i o n p r o j e c t sa c r o s sr i v e rb a s i n sa r eb e i n gp l a n n e da n dc o n s t r u c t e di nm o s t d i s t r i c t so ft h ew h o l ec o u n t r y b yt h ew e s tl i n eo fs o u t ht on o r t hw a t e r d i v e r s i o np r o j e c t ，w h i c hi ss i t u a t e d i nt h es o u t h e a s to fq i n g h a i t i b e t p l a t e a u ，t h ew a t e ro ft h ey a n g t z er i v e ri sd r a w na n dt r a n s f e r r e dt ot h e y e l l o wr i v e r s i n c et h a tt h ee l e v a t i o na b o v es e a - l e v e lo fq i n g h a i - t i b e t p l a t e a ui sm o r et h a n3 0 0 0 m , d a m sa r ec o n s t r u c t e dt ol i f tt h ew a t e rl e v e l ， a n dt i l n n e l sa r ee x c a v a t e df o rw a t e rd i v e r s i o n a c c o r d i n gt ot h e t o p o g r a p h i c a lf e a t u r e sa td a ms i t ea n dw o r k i n gc o n d i t i o no fe n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n f r e e - f l o wt u n n e l sw i t hd e f i n i t ed i s c h a r g ea n dv a r y i n gh e a d a r em o s t l yu s e df o rw a t e r 出v e r s i o n w h i l et h el a y o u to fe n e r g yd i s s i p a t e r i sr a t h e rd i f f i c u l t i ti st h ee f f e c t i v ep a t ht os o l v et h ep r o b l e mb ys e t t i n g e n e r g yd i s s i p a t e ri n s i d et h et u n n e l i nt h i st o p i c c o m b i n e dw i mt h ei n t e g r a lh y d r a u l i cm o d e lt e s to fa a nw a t e rd i v e r s i o np r o j e c ti nt h ew e s tl i n eo fs o u t ht on o r t hw a t e r d i v e r s i o np r o j e c t ，r a t i o n a ls t r u c t u r a lf o r mf o rf l o wc o n n e c t i n ga n de n e r g y d i s s i p a t i o nb yh y d r a u l i cj u m p i ss t u d i e da n dd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rd i v e r s i o nb yf r e e f l o wt u n n e lw i md e f i n i t e d i s c h a r g ea n dv a r y i n gh e a d ，s ot h a tt h es a f e t yo fw a t e rc o n v e y a n c ec o u l d b ee n s u r e d 1 1 1 ed e s i g no ft h r e ed i m e n s i o n a lt y p ea ti n l e ts e c t i o ni sp r o v e dt ob e r a t i o n a lb yt h ea n a l y s i so fm o d e lt e s tr e s u l t t h e r ei sg r a d u a l l ye x t e n d e d s i d ew a l la tt h ed o w n s t r e a mo fw a t e rg a t e ，a n df r e ej e to c c u r sa tv a r i e d w o r k i n gc o n d i t i o n s ，n ov e n tp i p ei sn e e d e da tb o t hb o t t o ms i d e so fd r o p s i l l d u et ot h ei n t e n s i v e l yt u r b u l e n tm o t i o na tt h eh y d r a u l i cj u m pz o n e ， m o r e o v e rt h ew a t e rr e t a r d a t i o nf r o mt h et r a n s i t i o ns e c t i o no f b a c ks l o p e a tt h ee n do fs t i l l i n gp o o l ，t h er e v e r s ec u r r e n ta tt h ee n db o t t o mo fs t i l l i n g p o o lp u s h e st h em a i nf l o wo fh y d r a u l i cj u m pt ot h es u r f a c el a y e r , s ot h a t t h ew a t e rl e v e lf l u c t u a t i o na tt h es e c t i o na f t e rh y d r a u l i cj u m pi sr a t h e r i n t e n s i v e ，e v e nt h ep h e n o m e n o no fa l t e r n a t i n gf r e ef l o wa n df u l l f l o w o c c u r s ，w h i c hi n f t u e n c e st h es a f e t yo fw a t e rc o n v e y a n c et u n n e lw i t hf r e e f l o w n ea d d e dp r o j e c tm e a s u r e s ，s t a b i l i z a t i o np l a t e ，w a v e - a b s o r b i n g b a r r i e ra n dc l i pp l a t e ，a r et a k e nt ob a s i c a l l ye l i m i n a t et h eb o t t o mr e v e r s e c u r r e n ta tt h es e c t i o na f t e rh y d r a u l i cj u m pa n ds t a b i l i z et h ew a v yw a t e r s u r f a c e ，s ot h a tt h er e q u i r e m e n to fr o o fr e s i d u a la m p l i t u d ei n s i d et u n n e l a n dt h es a f e t yo fw a t e rc o n v e y a n c ec o u l db ee n s u r e d d u r i n gt h em o d e lt e s t ，s e l f m a d ea e r a t i o nm e a s u r i n gi n s m m a e n ta n d c a p a c i t a n c ea e r a t i o nt r a n s d u c e ra r ea l s oi n t r o d u c e di nt h em e a s u r e m e n to f t h ea e r a t i o nq u a n t i t y 1 1 1 eo v e r f l o ws u r f a c ec o u l db ep r e v e n t e df r o m p i t t i n gc o r r o s i o nb yt h ev e r i f i c a t i o no ft h ea e r a t e ds i l l sf u n c t i o n i nt h e m e a n w h i l e ，b yt h ec o n t r a s ta n a l y s i s 谢mt e s tr e s u l tf r o mt w om e t h o d s ， t h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro nt h ep r e c i s i o no fs e l f m a d ea e r a t i o nm e a s u r i n g i n s t r u m e n ti sa n a l y z e d d u et ot h ec o m b i n a t i o no fs l o p eh y d r a u l i cj u m p 谢t 1 1a u x i f i a r y e n e r g yd i s s i p a t i o nd e v i c e ，t h e p r e l i m i n a r ys t u d yi n d i c a t e s t h a tt h e d a m p i n gr a t i oo fh y d r a u l i cj u m pi sr e l a t i v e l yh i g h 、i mh i g hw a t e rh e a d t h ef l o we n e r g yc o u l db ed e c r e a s e db ya b o u t8 0 w i t h i nt h es t i l l i n gp 0 0 1 s oi ti sf e a s i b l et oi n t r o d u c et h ef o r ma n ds i z eo fs u c hs t i l l i n gp o o li n s i d e t h et u n n e l t h eg r a v i t yw a v ec o u l db eo b v i o u s l ye l i m i n a t e db ya u x i l i a r y e n e r g yd i s s i p a t i o na n dw a v ea b s o r b e r , t h er o o f r e s i d u a la m p l i t u d es h a l lb e m o r et h a n18 ，s ot h a tt h ea l t e m a t i n gf r e ef l o wa n df u l lf l o ww i l ln o t o c c u r n et e s tr e s u l to ft h et o p i ce s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nf o rt h e d e s i g n i n go fw a t e rd i v e r s i o nt u n n e lo fa ，a np r o j e c ti nt h ew e s tl i n eo f s o u t ht on o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t ，a l s op r o v i d e st h er e f e r e n c ef o rt h e s i m i l a re n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d ：e n e r g yd i s s i l ； a t i o ni n s i d et u n n e l ，s t i l l i n gp o o l ，s l o p eh y d r a u l i c j u m p ，a u x i l i a r ye n e r g yd i s s i p a t o r , a e r a t i o nq u a n t i t y 符号说明 仔一闸前工作水头，m ： 口一闸门高度，m ； q 酽一设计引水流量，m 3 s h i 一跃前端面水深，m ； 三一斜坡水跃水平长度，m ； 三2 一水舌射距，i i l ； g 一重力加速度，m s 2 ； 进口段弧形闸门的流量系数： a 巩一水跃段的水头损失，i n ； 卜水流空化数； 卢一水流的掺气量； 符号说明 z 一闸前工作水位，m ； p 一闸门开度，m ； 卜闸门宽度，m ； ：一跃后断面水深，m 厶一射流空腔长度，m ： 目一射流扩散角，。； q 口一通气量，m 3 s ； q 一单宽流量，m 3 s m ； 卜水跃的消能效率： 女广初生空化数： 。一水流的掺气浓度； 独立完成与诚信声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意 承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者： 怒苇良 2 0 0 6 年0 6 月1 0 日 华北水利水电学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引水隧洞洞内消能问题的提出 近年来，随着国民经济的快速发展，对水的需求不断增加，跨流域调水工程 在全国许多地区进行规划和建设中。其中南水北调西线工程，简称西线调水，是 从长江上游调水至黄河。调水地区位于青藏高原东南部，在青海省玉树、果洛和 四川省甘孜、阿坝四个藏族自治州境内。巴颜喀拉山是调水的长江水系河段与黄 河相应河段的分水岭，引水坝址、输水线路和动力电站布置在巴颜喀拉山两侧。 巴颜喀拉山以北的黄河地势，从海拔高度3 4 0 0 米上升到海拔高度4 6 0 0 米，巴颜 喀拉山以南的地势，其左侧大渡河地势较低，海拔为2 9 0 0 - - 4 2 0 0 米，山南长江 水系河床高程低于山北相应黄河河床高程8 0 4 5 0 米。 根据西线调水地区地势的特点和工程建设运行的条件，欲调长江水入黄河， 需要建坝壅高水位，开凿隧洞穿过巴颜喀拉山。调水工程中有的方案采用定流量、 变水头的无压隧洞引水，水流消能设施布置十分困难。采取洞内消能是解决这个 难题的有效途径之一。本课题根据南水北调西线典型工程定流量、变水头的工程 特点，研究确定采用漏内底流消能设施和水流衔接的结构形式。采用适宜的底流 水跃消能形式，设计合理的消能工的尺寸，解决消能过程中所存在的问题，避免 明流洞输水产生满流或明满流交替的现象，是保证水流安全输送的关键，同时也 是西线调水中需要解决的重要问题。 1 2 洞内消能的类型 在河道上兴建的水工建筑物，如闸、坝等，壅高了上游水位，水流势能增大。 当建筑物泄水时，势能转换成动能，再加上工程布置的要求，往往要求缩短泄流 宽度，使单宽流量增加，这样就使得流经泄水建筑物下泄的水流具有很高的动能。 为此，必须使下泄水流中多余的动能在尽可能短的距离内消耗掉，以便与下游的 水流衔接起来，也就是采取必要的消能措施。常用的消能方式有挑流、底流、面 流及戽流消能几种形式。而洞内消能主要在隧洞内修建适合的特殊消能工型式， 急剧改变水流形态，在水流内部形成强烈紊动混掺或涡旋，从而集中消耗大量机 械能，降低压力，减小水流速度，达到保护洞身安全泄水或输水的目的。洞内消 能常用的消能形式有： 华北水利水电学院硕士学位论文 ( 1 ) 挑流消能 挑流消能借助于挑流鼻坎使高速水流沿抛物线挑射，通过吸附和掺混空气消 杀部分能量并将水舌抛至远离坝体的下游河床与尾水衔接。当出口高程高于或接 近于下游水位时，且地形、地质条件允许时，采用挑流消能比较经济合理。 ( 2 ) 底流消能 底流消能是通过水跃的强烈紊动和旋滚，消耗泄水建筑物下泄水流的多余能 量。底流消能的应用历史悠久，它能适应各种水头和复杂的地质情况，流态稳定。 底流水跃消能比较充分、平稳，对下游水面的波动影响要小于挑流消能。 ( 3 ) 洞内突扩消能 洞内突扩消能是在有压隧洞内分段造成出流突然扩散和收缩，与其周围水体 之间形成大量旋滚、掺混而消耗水流的能量。突缩突扩式内消能工包括孔板式、 管嘴式、洞塞式等型式。其特点是主要依靠水流局部突缩突扩的阻力损失消能， 消能区域基本在水流内部，形式简单，便于防护，研究成果丰富。 ( 4 ) 涡旋式消能 涡旋式内消能包括井式立轴涡旋和洞式水平轴涡旋等。建筑型式可分为竖 井、斜井，也可为平洞。水流形态可为压力涡旋流，也可为明流涡旋流。通过建 筑物引导形成强烈的螺旋流，大量掺气、旋转而消能，降低水流的流速。 此外，还有井内对冲水垫塘式消能、混合交互式内消能等。井内对冲型式消 能与外对冲式消能原理相同，一般均配有水垫塘，保护井底结构，并进一步消能。 混合交互式消能是上述几种内消能工的组合型式。例如：井内对冲水垫塘消能后 转入涡旋消能，再如孔板与外螺旋组合，使孔板后的轴向水流被外层环向螺漩流 包裹等。这类组合式消能工的研究有广阔空间，但尚未达到较为成熟阶段。 1 3 底流消能的消力池类型 底流消能和挑流消能及面流消能有所不同，挑流和面流消能水流挑出后，消 能作用主要在下游河床冲刷坑内完成，而底流消能则需构筑专门消力池，消能的 作用主要在消力池中完成。因此，消力池的选择及布置形式关系到消能效果的好 坏。底流消能常用的消力池类型有： ( 1 ) 水平护坦消力池 水平护坦消力池是最为常见消力池体型，平原水闸及溢流坝下游的消力池常 2 华北水利水电学院硕士学位论文 用平底护坦。其它如扩散式消力池、多级消力池、跌塘消力池等一般也都是平底。 消力池上游陡槽与平底护坦的连接型式的要求是，入池水流平顺，对护坦不产生 太大的冲击，一般认为，入池前的水流流速分布较均匀，坡度的变化对入池水流 的流态不致产生实质的影响。 ( 2 ) 斜坡消力池 试验证明，当佛汝德数较高时，在水平护坦上的水跃，对尾水深偏小特别敏 感。因此，在实际工程中，高佛汝德数情况的高坝下游，多设计成斜坡消力池。 斜坡消力池不但能适应较大的尾水变化，而且一般还可以节约工程挖方和混凝土 工程量 2 0 】。 斜坡消力池中的水跃类型为斜坡水跃。斜坡水跃按其跃尾在斜坡上及水平 护坦上的相对位置，可分为三种类型：b 型水跃，跃首在斜坡上，跃尾在水平护 坦上；c 型水跃，跃首在斜坡上，跃尾在斜坡与水平护坦交界处；d 型水跃，跃 首跃尾均在斜坡上。 关于斜坡水跃的水力计算，目前习惯用金特斯佛特( k i n d s v a 廿e ) 对于c 型 或d 型斜坡水跃的公式【2 9 1 鲁= 去c + s 曩2 盅柚 c t 刊 式中， 1 为跃前水深：h 2 为相应于j l ，的共轭水深；n 1 为跃前佛氏数；k 为入池 佛氏数及斜坡护坦坡度有关的无尺度数；o r 为斜坡与水平面的交角。 布拉德雷( b r a d l e y ) 及皮特卡( p e t e r k a ) 进行的试验表明，k 值主要与斜坡 坡度有关，佛汝德数对其影响很小。为了与自由水跃共轭水深比表达式作对比， 拉贾纳南将上式做了如下变形【2 0 l 熹：i h 2 ：土( 丽一1 ) ( 1 - - 2 ) c o s 口h 2 、 7 式中，h 1 为跃前的铅直向水深，而 g 22 _ 2 f r t 2 其中f 1 2 - i c 赢o s a 面z ( 卜3 ) 斜坡消力池除顺坡护坦消力池外，还有逆坡护坦消力池，当下游尾水不足时， 消力池可做成逆坡护坦消力池，逆坡护坦消力池的优点在于：降低共轭水深的要 华北水利水电学院硕士学位论文 求，促成水跃产生。适用于低佛汝德数的消能条件，可以做成底流与挑流合用的 消能工。 ( 3 ) 扩散式消力池 扩散式消力池的宽度是下断面大于上断面。这种宽度可以是渐变的( 称为 渐扩式消力池) ，也可以是突变的( 称为突扩式消力池) ，其结果是水跃末端尾水 渠的宽带加大，单宽流量变小了，从而降低了所要求的共轭水深比。应用扩散式 消力池，一方面便于与下游河道连接，另一方面，由于水流扩散的结果，要求的 池长和池深均较相应条件下非扩散池为小。还有一种扩散池边墙为斜坡的梯形断 面消力池。 除以上介绍的几种常见的消力池外，还有如多级消力池( - - 级消力池、三级 消力池等) 、跌扩式消力池( 水跃式消力池、撞击式消力池、格棚式消力池等) 、 反向流消力池( 双重回流反向消力池、双厢式消力池、反向射流消力池等) 、混 合式消力池、冲击式消力池等。 1 4 国内外应用洞内消能实例 ( 1 ) 加拿大麦卡坝 麦卡坝为冰渍土心墙砂壳坝，坝高2 4 5 m 。泄水建筑物有泄水底孔、泄洪洞 和溢洪道。泄洪底孔和泄洪洞均由2 条直径为1 3 7 m 的导流洞改建而成。泄水底 孔采用双塞泄水消能方式，利用水流在孔口突缩突扩，水流消去5 0 以上的能 量，流速可降低到3 5 n g s 以下。与明流洞外部消能方案的5 2 m s 流速相比，有明 显消能效果。水流射入膨胀室，周围压力很低，射流水体周围的游涡内将形成气 穴，气穴在远离洞壁的高压区溃灭，不会造成洞壁的气蚀破坏。 ( 2 ) 印度尼西亚查蒂努赫工程 大坝为粘土斜墙堆石坝，坝高1 1 2 m ，在大坝上游面附近河滩上建造一个大 直径圆形混凝土进水塔，将所有建筑物均布置在塔内。大圆塔薄壁塔式泄水建筑 物，高1 0 8 m ，塔内设灌溉引水底孔，表面溢洪道和水电站厂房。塔上部沿圆周 布置总长1 5 2 m 的溢洪道。水流经过塔顶撞流跌落到水垫塘，与引水底孔射流水 舌冲撞消能，经过水垫塘的旋滚再次消能后，流速可降至2 0 m s 左右，然后和电 站尾水一同进入坝基内2 条马蹄形尾水涵洞进入出口消力池 3 ) 前苏联罗贡坝 4 华北水利水电学院硕士学位论文 罗贡坝为斜心墙士石坝，坝高3 2 5 m ，泄水建筑物为2 条导流洞和1 条非常 泄洪洞。2 条导流洞从左岸穿过河床通到右岸，导流任务完成后均改为发电尾水 洞，非常泄洪洞布置于右岸，原系右岸导流洞，建成后改为非常泄洪洞，即通过 表面和深部引水设施，采用洞内涡旋消能方式消能。 4 ) 黄河小浪底水利枢纽 小浪底大坝为壤土斜心墙堆石坝，最大坝高1 5 4 m ，总库容1 2 6 5 亿m 3 。受 地形、地质条件限制，全部泄水、发电和灌溉建筑物均布置于左岸单薄的山体中。 水库建成后将3 条导流洞改建为泄洪洞，洞内流速高达5 0 m s ，采取洞内孔板消 能方式消除水流多余能量。依靠水流内部剪切摩擦实现消能，高速水流在隧洞中 间不与洞壁接触，随着水流扩散洞内流速不断调整，断面平均流速约1 2 m s 。 1 5 选题的意义和内容 我国水资源总量排世界第4 位，由于人口众多，人均水资源占有量仅为世界 人均水平的1 4 ，而且在空间分布极不平衡，南方水多，北方水少，使我国成为 世界上水资源相对紧缺的国家之一。黄河是我国西北、华北的重要水源。随着该 区域经济的发展，黄河缺水严重，造成黄河下游频繁断流，水资源的供需矛盾加 剧，生态环境恶化，水质污染加重。西线工程是从长江上游干支流引水入黄河上 游的跨流域调水的重大工程，是补充黄河水资源不足，促进黄河治理开发的重大 战略工程，是解决黄河中下游地区缺水问题的根本途径。 南水北调西线工程的调水工程区位于青藏高原的东南部，西起通天河、东至 大渡河、南临川西高原、北至黄河干流，面积近3 0 万平方公里。这一区域的海 拔高程为3 0 0 0 4 5 0 0 米。由于西线调水地区地势的特点和工程建设运行的要求， 采用开凿隧洞的方式引水。南水北调西线工程有采用自流无压隧洞引水的方案， 该工程的特点是定流量引水，根据大坝的壅高水位，调节闸门相应开度运行的， 其消能设施只能布置在隧洞内部。引水洞内消能在国内外应用的实例较少，与之 相关的文献也很少，缺乏这方面细致系统的研究。因此，对于这方面研究的试验 成果可以作为南水北调西线典型工程设计的依据，也给类似的工程设计提供参 考。 本课题通过典型工程的水工模型试验，研究底流水跃消能问题。根据模型试 验成果，分析设计流量运行时，闸门开度与闸前水头的关系，引水隧洞的泄流能 华北水利水电学院硕上学位论文 力，进口段水流运动特性及底板压力分布；根据消能段水流流态、跃后段水流流 速分布、水跃特征参数( 包括跃前跃后位置、水深及跃长等) ，确定消力池的形 式及尺寸，解决跃后段产生水面波动的问题，并采取消除水面波动的工程措施： 测定急流段水水流掺气量，验证掺气量是否达到免蚀的要求；量测通气孔的通气 量，验证通气孔的面积是否满足要求。 1 6 研究的方法和技术路线 1 6 1 研究的方法 本课题以南水北调西线一期工程阿安引水隧洞洞内消能水工模型试验为依 托，提出一般性课题，即引水隧洞洞内消能问题的研究，根据所研究问题的性质 与特点，在理论分析的基础上，采用水工模型试验方法进行研究。根据研究的工 程对象、特点及试验任务要求，模型试验采用正态整体模型。 1 6 2 研究的技术路线 封闭式引水隧洞的洞内消能是大型调水工程中的重大技术问题，具有探索性 与挑战性，目前还存在很多技术难点。本课题研究的技术路线如下： ( 1 ) 选择典型洞内消能工程，在分析工程资料的基础上，取得初步认识与 基本参数，为后续的水力模型试验建立必要的研究控制条件。 ( 2 ) 根据相似原理与准则，通过整体模型进行引水隧洞洞内消能的水工模 型试验的研究。进行不同闸门开度试验，确定流量与闸前水头的关系曲线，在定 流量的基础上，确定闸门开度与闸前水头之间的关系。 ( 3 ) 对水力模型试验试验成果进行分析。分析洞内消能工程的进1 2 1 段、消 能段、渐变段、洞身段水流的流动特性，分析水跃的特征参数，研究闸门的过流 能力、消能状况，确定消力池适宜的形式及尺寸。 ( 4 ) 修改消力池的体型及尺寸，解决原设计中存在的问题，进行修改后设 计方案的水工模型试验，分析该方案的试验成果，研究水跃的消能机理、水跃的 消能量及消能系数。 ( 5 ) 研究高速水流的掺气现象。分别采用自制的掺气装置和电容式掺气测 量仪对模型急流段水流的掺气量进行测量，验证掺气量是否达到免蚀的要求，测 量通气管的通气量，分析通气孔的面积是否满足设计要求。 6 华北水利水电学院硕士学位论文 第2 章洞内底流消能水工模型试验 2 1 阿安引水隧洞的工程概况 南水北调西线工程是从长江上游干支流引水入黄河上游的跨流域调水的重大 工程。西线工程总体规划选择位于四川、青海省境内的雅砻江支流达曲、泥曲， 大渡河支流杜柯河、玛柯河和阿柯河的联合自流方案为西线第一期工程。工程主 体由“五坝七洞一渠”组成，“五坝”是指调水所建的5 座引水枢纽，坝高分别为6 3 1 2 3 m ：“七洞”是指7 段输水隧洞，总长度为2 4 4 k m ；“一渠”为隧洞出口入黄河的 1 6 k m 明渠。阿安引水隧洞是7 段输水隧洞的一条，是南水北调西线一期的龙头工 程。南水北调西线工程总体布局规划建图2 1 。 图2 1南水北调一期工程和阿安输水洞平面位置图 f i g2 - 1g e n e r a ll o c a t i o nm a p o f1 s ts t a g eo f s o u t ht on o r t hw a t e rd i v e r s i o n p r o j e c ta n dw a t e rc o n v e y a n c et u n n e lo f a a np r o j e c t 阿安水库和输水隧洞的主要设计指标见表2 1 ，具体工程布置见图2 4 和 图2 5 。 华北水利水电学院硕士学位论文 表2 一l 阿安水库及引水隧道的工程特征 t a b l e2 - 1e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i co f a a nr e s e r v o i ra n d w a t e r c o n v e y a n c e t u n n e l 项目项目单位数值备注 流域面积 k m 23 4 8 7 年径流亿l n 3 1 0 5 7 正常蓄水位z 0 m 3 7 1 4 0 水库校核洪水位3 7 1 4 1 死水位 m3 6 3 5 设计引水流量 m 3 s2 4 9 8 进口高程 m3 6 2 9 7 8 工作水头h m5 2 2 8 4 2 2 闸门宽度 2 o 闸门高度 1 9 8 洞长 k m1 3 4 3 8 隧洞 洞径 m4 6 8 洞内正常水深 m3 5 q = 2 4 。9 8 蠢| s 糟率n0 0 1 4 5 底坡i1 ，2 2 9 0 2 2 模型试验研究的任务 阿安引水隧洞水工模型试验是南水北调西线一期工程前期规划阶段的研究项 目，模型试验的具体任务如下： ( 1 ) 测量并提供不同库水位下闸门不同开度的水位流量关系和流量系数。 ( 2 ) 通过设计流量q = 2 4 9 8 m 3 s 时，提供库水位从3 6 3 5 3 7 1 4 1 m 相应的 闸门开度曲线。 ( 3 ) 通过设计流量时，观测不同库水位对应的进口、闸室、闸后、消力池及 洞内流态、流速、水深( 包括掺气水深) 、压力分布、水流扩散度、水跃参数。 ( 4 ) 测量通过设计流量时，不同库水位在跌坎后水流沿程掺气浓度及临界掺 气水位，底空腔和侧空腔长度，最大水翅高度。 ( 5 ) 通过设计流量，测量不同库水位时检修门、工作门及跌坎后通气孔的通 风量及风速。 ( 6 ) 提出高速水流掺气、减蚀措施。 ( 7 ) 要求消力池后有一定的洞长( 渐变流过渡段) 、过渡段后基本满足均匀 流流态，洞内不能出现明满流流态。 ( 8 ) 推荐洞内消能工的型式、主要尺寸及控制高程。 华北水利水电学院硕士学位论文 2 3 模型设计理论及制作与测量 2 3 1 水工模型试验的水力相似基本理论 水力模型试验是将原型实物按照相似原理缩制为模型。在模型中预演或重演 与原型相似的自然现象并进行观测，然后将观测结果再按相似原理引申于原型并 作出判断。通过水力模型试验可以对一些未知的水力现象进行系统观测研究，为 理论分析提供依据或实验数据；对水工建筑物的设计成果进行检验，及时改正设 计中存在的问题，为水工建筑物的优化设计、安全可靠及合理运行提供必要的保 证。原型和模型两个流场的相应点上，所表征流动状况的相应物理量存在一定的 比例关系，则这两种流动是力学相似的。水力相似原理是水工模型试验的理论依 据，要满足力学相似，必须满足几何相似、运动相似、动力相似。( 下面各表达式 中，p ”表示原型，m ”表示模型。) 【7 】 ( 1 ) 几何相似 模型和原型的几何相似，即两者对应的线性长度都有同一比例，相应夹角相 等。若以幻表示原型中任一长度，以三m 表示模型中的对应长度，则赴表示与模 型对应长度的比值，称为模型的长度比尺。 ， 名，= 竺( 2 - 1 ) 。l m ( 2 ) 运动相似 模型水流和原型水流的运动状态必须相似，即两者对应点的速度、加速度的 方向相同，大小具有同一比值。 凡、屯和分别表示流速、加速度和时间比尺，则： 生 护，v _ 2 e = 专= 等v m 生 屯：生： a m t m 三p f ： l 。 五 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 3 ) 动力相似 模型水流和原型水流受到的作用力相似称为动力相似。当模型水流与原型水 9 华北水利水电学院硕士学位论文 流的惯性力与各种物理力的比例具有同一数值时，就实现了水流动力相似。在水 工模型试验中难以做到所有物理力与原型完全相似，只能做到模型中对运动状态 起决定作用的物理力与原型相似。 若如和厶分别是力和密度的比尺，则惯性力的比尺为： 砟2 瓦p p z v e 五a e = a p a ：a l 一= 以式2 九2 ( 2 4 ) 1 ) 重力相似定律 当模型的边界阻力对运动的影响相对较小，可忽略不计，只考虑起主要作用 的重力和惯性力相似( 弗汝德数相等) ，表达式如下： 车：车：f r 2 ( 2 - 5 ) 西p 瓯。 。 此时正态模型各水力因素比尺为： = 掣2 ( 2 6 ) 如= 掣2 ( 2 7 ) = 础2 ( 2 - 8 ) 2 ) 阻力相似定律 研究较长河段的渐变流，边界阻力就成为主要的作用力。模型和原型水流在 边界条件相似的条件下，只要两者的弗汝德数和水力坡度都相等，表达式即式 ( 2 - 5 ) 和： 卑= 1 ( 2 9 ) 九l k 。 设厶为竖向比尺，l 为糙率比尺，则有： 以= 硝2 ( 2 1 0 ) 如= 五名“ ( 2 1 1 ) 对正态模型， 九= 皑6 对变态模型， 1 0 ( 2 1 2 ) 华北水利水电学院硕士学位论文 九= 瓮 ( 2 1 3 ) 2 3 2 模型的类型和相似准则 阿安输水工程的正态整体模型试验主要研究库水位与闸门开度及洞内泄流能 力、流态及相应体型的优化问题，洞内为无压流，故模型设计采用主导力为重力 的佛汝德相似准则，同时应满足水流紊动阻力相似。 模型范围包括：概化库区、引水隧洞进口段、无压消能段、渐变过渡段和无 压输水隧洞段。考虑应满足洞内达到均匀输水的条件，模型输水洞段长度取6 m ， 相当于原型9 7 m ，模型全长1 8 m 。 2 3 3 模型主要比尺及基本数据 根据所研究问题的特点及要求，结合制作模型材料的选用，选择长度比尺为 2 l = 1 6 1 4 ，模型的其它各项主要比尺见表2 2 ，模型和原型参数见表2 3 。 表2 2 主要比尺 t a b l e2 - 2m a i np r o p o r t i o n a ls c a l e 名称符号及关系式模型比尺 几何比尺 扎 1 6 1 4 流速比尺舻巩1 4 4 0 1 7 时间比尺 2 t = _ - l 仉 4 0 1 7 流景比尺 妒巩5 “ 1 0 4 6 4 糙率比尺 = 缸1 7 6 1 5 9 0 表2 3 模型和原型基本参数 t a b l e2 - 3b a s i cp a r a m e t e ro fm o d e la n dp r o t o t y p e 名称原型模型 最大作用水头( m ) 8 5 2 25 2 8 消能段总长( m ) 1 0 4 9 6 4 9 9 消能( 进口) 段宽( m ) 5 0 ( 2 0 )o 3 1 0 ( 0 1 2 4 ) 设计流量( m 3 s ) 2 4 9 80 0 2 3 8 7 引水洞段糙率 0 0 1 4 50 0 0 9 1 2 2 3 4 模型制作 根据模型试验工作水头的变化范围和场地布置的条件，采用制作钢板压力水 箱模拟原型水库，压力水箱侧面安装测压管观测水库水位。 引水隧洞进口段、消能段及洞身段均用有机玻璃制作，其糙率约为o 0 0 8 5 ， l l 华北水利水电学院硕士学位论文 与设计的模型糙率接近。模型制作的误差控制在o 5 m r n 以内。考虑进行模型试验 时量测水流流速和掺气量的需要，消能段的顶盖加工制作成活动的，当进行通气 量观测时可以将顶盖全部密封。具体模型布置见图2 2 。 图2 2 阿安输水工程模型布置 f i g2 - 2m o d e ll a y o u to f a r rw a t e rd i v e r s i o np r o j e e t 2 3 5 模型试验的控制和量测 流量的量测和控制：采用e - m a g 电磁流量计和阀门进行流量测量和控制，电 磁流量计用三角形薄壁堰进行率定。测量误差不超过土2 ，量测精度满足要求。 压强量测：无压段采用测压管进行压强量测，有压进口段采用多点压力巡回 检测仪和精密的压力表( o 4 级) 测定各点的时均压力。 水位量测：压力水箱侧面安装测压管观测水库水位。 流速量n - 急流流速采用直径3 m m 的小毕托管测定，消力池跃后缓流段用旋 浆流速仪测定流速，都经过水槽率定，以保证测量的精度。 流场流态量测：采用流场监视仪与照相、录象结合，通过透明边界显示引水 洞内的流场、流态； 掺气量量测：用分别用电容式掺气浓度测量仪和自制掺气仪分离水汽进行掺 气量测定。 通气量量测：用新购置的热球风速仪测定通气量 在隧洞出口明流水箱，根据洞内正常水深用挡板进行调节控制。 有关量测仪器设备符合水工( 常规) 模型试验规程s l l 5 5 9 5 和水工( 专 题) 模型试验规程s l l 5 6 1 6 5 9 5 的要求。 水工模型试验研究的工作程序试验流程，见图2 3 所示。 华北水利水电学院硕士学位论文 囤2 3 阿安i 水洞洞内消能水工模型试验研究工作流程图 h g 2 - 3f l o wc h a r to fh y d r a u l i cm o d e lt e s t & r e s e a r c hw o r ko ne n e r g y d i s s i p a t i o ni n s i d ew a t e rc o n v e y a n c et u n n e lo f a a np r o j e c t 开r 面r 十1 丽丽矿h 盯十缸 iii i 面丽 孺厕 丽俪 ： z 忙 。 ： 羞| | 三 6 ： 王忙 。 耐 背面_ + 矧爿 l 留垂 i 剥 苎f l 晤 9 d d d l 画：| | | i i自 曼f d嗣 蓁 垂 土 墨田 。莒昌日它鲁v苫：i譬一昌盘jo=口口三ou墓分言ou矗苫享q爱窨州茸o=墨葛嚣h廿g jo|no奢=盘誊；暑i宙基茸口兰基可n嚣i陶 “j_g圭目盥粒蛳螽“ 一#*苴霹巾吐，印斟，雕怄ii】匝一 一霉嚣 圃旧幂蒜碰箍瓣畏辱