摘要：龙抬头式隧洞无压泄水方式在水利工程中普遍应用，本文结合工程实际，提出龙抬头式泄水隧洞的水力学计算公式及计算结果，再通过模型试验加以验证，对工程设计提出修正，从而达到优化设计的目的。
关键词：无压泄水；水力计算；模型试验；流量；泄流曲线
1 前言
在秦家沟水库泄水建筑物设计过程中，设计根据当地地形地貌，结合水库调洪计算，提出了龙抬头式无压泄水的设计思路。在设计过程中，设计先根据同类型工程设计经验，提出设计方案，并利用经典水力学公式对工程泄水流量、水面线、流速等水力学要素进行计算。为保证计算的合理性和可行性，并达到优化设计的目的，在设计方案初步完成后，又委托科研院校水力学实验室对设计方案通过模型试验的方式加以验证。
本文结合工程实例，给出本工程设计过程中所运用到的水力学计算公式及计算结果，并与模型试验所得结果结论加以比较验证，为本工程设计的合理性提供理论及试验依据。
2 工程布置
水库泄水建筑物布置在大坝右侧，泄水方式为无压泄水，最大泄水流量138.03m3/s，由泄水塔、泄水隧洞和消力池三部分组成。
（1）泄水塔
泄水塔设置在水库迎水面，是泄水工程首部控制建筑物，基础放在中等分化岩石上。泄水塔采用腔体结构，设计流道净宽度3.00m，总长度20.00m，设计底板顶高程1822.00m，塔顶高程1841.30m，总高度19.30m，采用钢筋砼结构，底板厚度2.00m，侧壁厚度1.20m，C30砼浇筑。
进水口采用有压短洞进口体型，设计底宽3.00m。进口采用椭圆曲线断面，半长轴取3.00m，半短轴取1.00m，后接长0.55m斜率1：4的短压板，压板后设检修闸门，门槽高3.5m，宽0.6m，检修门槽后设长1.88m斜率1：5的压板。
工作闸门采用弧形钢闸门，闸门孔口尺寸3.00m×3.00m，闸门采用单调点液压启闭设备。闸后流道总长9.00m，前3.00m采用矩形断面，断面尺寸3.00m×4.50m，后6.0m设渐变段和隧洞连接。
（2）泄水隧洞
泄水隧洞接泄水塔，隧洞采用无压城门洞型式，总长140.0m。城门洞设计底宽3.00m，直段高3.00m，弧段半径1.50m，共分两段，分别是龙抬头泄流段和陡坡泄流段。龙抬头泄流段总长54.14m，设计顶高程1822.00m，设计底高程1805.441m，设计泄流底坡曲线为：
X2＝300Y
末端设半径60m，角度22°24′25″的反弧段和陡坡泄流段连接，反弧段落总长22.81m。陡坡连接段总长63.05m，设计底坡1/75，出口设计底高程1804.60m。
泄水隧洞洞身位于白垩系泥灰岩中，初步类比为Ⅳ类围岩，隧洞初期支护采用钢拱架＋钢筋网片＋喷射砼支护，初衬厚度0.25m，后期砌护采用钢筋砼，衬砌厚度0.35m。
（3）出口消力设计
隧洞后接陡坡扩散段，扩散段长度为36.73m，扩散宽度由隧洞出口的3.00m到16.30m，扩散角为10°26′。扩散段起始底高程1804.60m，末端高程1796.00m，总跌差8.60m。扩散段从竖向看，首先是3.00m长平段，后接长16.27m的曲线坡面，曲线坡面的方程为y=0.0133x+x2/105，之后接1：3的陡坡至消力池底。
陡坡扩散段后接消力池。消力池长20m，宽15.64m，池深8.30m，尾端挡墙高3.00m，在距扩散段末端7.74米处设一排C20钢筋砼消力墩，消力墩长2m，采用梯形断面，顶宽0.5m，底宽1.5m，高2.0m。
消力池后为明渠，明渠段长20.0m，宽16.30m，与原沟道平顺连接。
3 水力计算方法及成果
（1）泄水塔泄流水力计算
泄水建筑物采用泄水塔控制的龙抬头式无压泄水方式，即在水库右岸1822.00m高程处设弧门控制的泄水塔，泄水塔后设龙抬头式无压泄水隧洞。
泄水流量采用PC-1500程序集中《D-8 隧洞水力计算与绘图程序》进行。计算基本公式为：
式中：Z—水头
b—泄流孔开口宽度；
e—闸门开度；
Li—压力洞分段长度；
Ci—各段流速系数；
Ri—各段水力半径；
Wi—各段断面面积；
ξ阻—各段局部阻力系数；
Wc＝beε—闸门后收缩水深处之断面积；
ε—闸后水深收缩系数。
泄水洞泄流计算成果见表1及图1。
表1 泄水洞泄流计算成果表
图1 泄水隧洞泻流曲线图
（2）泄流曲线分析
泄水工程泄流曲线分析总体思路是：首先分析出泄水塔的闸后收缩水深，之后以该水深为起始断面，利用明槽恒定非均匀渐变流水面曲线方程对其后的隧洞水面曲线进行推算。
计算利用采用PC-1500程序集中《D-7 明渠恒定非均匀渐变流水面曲线计算与绘图程序》和《D-8 隧洞水力计算与绘图程序》联合进行。
经分析计算，校核洪水状态下泄水闸后收缩水深为2.74m。以该断面水深为起始水深，经分析计算，隧洞在校核洪水状态下的各部位水深及流速成果见表2及图2。
表2 泄水工程校核洪水状态下泄流曲线计算成果表
图2 泄水工程校核洪水状态下泄流曲线图
4 泄水工程模型试验
（1）试验范围及要求
泄水工程方案设计完成后，我公司委托西北农林科技大学进行了泄水工程模型试验，本试验内容包括：常规水力学模型试验和专题水工模型试验。模型试验的范围从泄水塔进口开始，至隧洞出口陡坡后消力池结束，模型比例采用1：20
针对本工程模型试验，共提出四点要求：
A、流量验证：对1830m～1841m水位每抬升1m状态下及正常蓄水位、校核洪水位和千年一遇洪水位状态下闸门开度0.2e、0.5e、0.8e及全开时四种开度的水位～开度～流量关系曲线进行验证，给出曲线表及曲线，分析模型流量和计算流量间的差距，在此基础上对计算中的流速系数和阻力系数给出建议值。
B、塔后隧洞水面曲线验证：只进行校核洪水工况下的水面曲线验证。根据提供的设计图纸进行模型试验，对计算的水面曲线进行验证，并提供分析结果。
C、设计体型修正：根据设计图纸模型验证结果，对塔及其后的过水部分水工设计体型进行修正，并进行修正后的模型实验，提出合理的塔、隧洞及隧洞出口过水部分体型供设计采用。
D、对过水部分的气蚀问题进行模型试验研究，找出负压点位置，并提出解决方案。
（2）试验模型设计
模型设计需要满足几何相似、水流的运动相似和动力相似，遵循佛劳德相似准则，并结合实验室场地等条件。本次试验比尺如下：
模型几何比尺Lr=20。
流量比尺
流速比尺
时间比尺
糙率比尺
5 模型试验成果及分析
模型试验对设计方案的校核水位工况进行了试验研究，试验组合见表3。
表3 泄水隧洞试验组合
（1）泄流能力计算成果与试验成果的比较
模型试验首先对泄水工程闸门全开时的泄流能力进行了率定，其库水位～流量关系曲线见图3，不同水位设计泄量与试验实测泄量比较见表4。
表4 泄水洞计算泄量与试验实测泄量比较
注：差值△=实测泄量-设计泄量；（%）=差值△/设计泄量%。
图3 闸门全开水位流量关系曲线图
由图3及表4可见，泄水洞各特征水位（闸门全开）实测泄量均大于设计泄量，差值在2.68%~5.79%之间，泄流能力满足设计要求。
泄水工程采用进口段设置有压短洞的无压泄流隧洞。当进口流态为有压流时，下游水位不影响隧洞泄流能力，其泄量可按闸孔自由出流计算：
式中：H——为由有压短管出口的闸孔底板高程算起的上游库水深；
B——为隧洞进口闸孔底宽；
e——为闸孔高度（或开启高度）；
ε——为有压短管出口的工作闸门或闸孔垂直收缩系数；
μ——短洞有压段的流量系数。
当有压短管的顶部有倾斜压板（压板斜率为1：5）且工作闸门全开时，闸孔垂直收缩系数为0.914。
按上式可算得本工程千年一遇洪水位、校核水位和设计（正常蓄水位）水位时的综合流量系数分别为0.8395、0.8347和0.8269。
（2）进水口流态
试验看到，闸门全开时各工况泄水塔进口水流平稳，库水位在1826m~1826.4m时，进口有压段进入于堰流与孔流的过渡区；库水位在
1835m左右时泄水塔进口左侧上游水面开始出现间歇性浅表型漩涡，随着水位的升高漩涡逐渐发育成串通性吸气漏斗，至校核水位时漏斗出现时间约占观察时间的20%~30%，漏斗口最大直径约1.0m，其尾部下延至泄水塔进口顶部；千年一遇洪水位闸门全开时，闸前出现间歇性串通型吸气漏斗的频率约占观察时间的10%~20%，最大漏斗直径约1.2m。
（3）水深及流速分布
试验可见，泄水道沿程水深未及隧洞直墙高度，断面尺寸设计基本合理，满足要求；闸后水流顺畅，流态较好，泄水道龙抬头段水流沿程加速，至反弧末最大，其表流速达23.98m/s，直洞段水流沿程接近均匀流，洞末断面水流表流速为21.03m/s。
（4）压力分布
为了实测泄水工程各部位的压力分布，模型在进口控制段顶部中线、闸槽及进口底板、泄水隧洞底板及出口台阶段中线共布置压强测点82个。试验实测得校核水位（组次2）运行工况压力分布。
试验结果表明，泄水道进口段、龙抬头段、反弧段及隧洞段压强均为正值且分布合理，隧洞出口台阶段局部出现负压，量值在-0.1×9.81kPa ~-0.52×9.81kPa之间，这主要与台阶体型和水流流态有关。
6 结束语
通过水力学计算公式所得的设计泄水量、流速及水面线与模型试验所得结果相差不大，满足规范要求，设计方案合理、可行。
参考文献：
[1]《龙抬头反弧段空化空蚀研究综述》，河海大学水利水电工程学院，纪伟；
[2]《龙抬头泄洪洞反弧段空化空蚀研究进展》，河海大学水利水电工程学院，纪伟；
[3]《有关龙抬头泄洪洞水力设计的几个问题》，清华大学，马吉明。
论文作者:朱东
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/24
标签：隧洞论文; 模型论文; 闸门论文; 水位论文; 曲线论文; 水深论文; 断面论文; 《基层建设》2019年第10期论文;