某水库灌溉洞水力学特性试验研究

田 杰

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

某水库灌溉洞水力学特性试验研究

田 杰

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

文中主要对某水库灌溉洞水工模型试验成果数据进行了深入介绍和分析，比较了不同闸门开度对水力参数的影响，并对模型试验中发现的问题提出了建议。

水工模型试验；灌溉洞；水库

1 研究背景

某水库控制流域面积127.5 km2，防洪标准为100年一遇洪水设计、1 000年一遇洪水校核。水库总库容为3 449万m3，设计灌溉面积0.7万hm2。防洪保护范围内有柠檬酸厂等7个大中型企业、学校，甘亭镇及10余个村庄5万余人和0.2万hm2耕地等，是一座以灌溉、防洪为主，兼顾养殖等综合利用的中型水库。

左岸灌溉洞位于溢洪道右侧约210 m处，设计流量1.5 m3/s。涵洞长133 m，为无压明流洞，共分三段：第一段长21.5 m，宽0.8 m、高1.1 m的混凝土盖板浆砌石方形涵洞；第二段长64.5 m，宽3.0 m、高3.0 m的浆砌石城门洞形涵洞；第三段长47m，宽1.2m、高2.0 m城门洞形涵洞，顶拱为砌砖，下部为浆砌石结构。

模型布置详见图1。

2 模型试验设计

常规模型试验主要作用力为重力，必须遵循重力相似准则，即模型与原型佛汝德数应保持相等。

图1 模型平面布置图

模型遵循重力相似准则，按照佛汝德定律进行设计，采用正态模型，根据试验设备、场地及供水能力等条件，并依据模型试验规程的精度要求，经比选（长度比尺为 10、15、20）确定采用长度比尺 λL=12[1]，模型范围含库区上游20 m和左岸灌溉洞（0-007.863~0+133.00）全部，模型各物理量比尺如下：

长度比尺：λL=λH=12

流速比尺：λv=λL1/2=3.46

流量比尺：λv=λL5/2=498.83

糙率比尺：λv=λL1/6=1.51

3 试验成果及分析

3.1 闸门不同开度水位流量关系

根据灌溉洞运行实际情况及设计资料分析，我们选取闸门不同开度：0.06 m、0.08 m、0.09 m、0.12 m、0.18 m、0.26 m，流量在0.5～1.5 m3/s，水位在 547.5～560.3 m的工况下的泄量曲线，具体见表1。

表1 不同开度下流量水位关系表

3.2 各工况数据分析

3.2.1 闸门开度0.08 m

该水库是以灌溉为主的水库，在灌溉季节，其灌溉流量是由作物需水量决定的，因此，不同库水位时为适应灌溉流量而确定开度，这样组合后其工况数量较多，为此，在试验中将包括高中低库水位条件下，对满足不同流量时典型闸门开度下的流态、水面变化、流速分布等进行分析，观察流态，测取相关水力特性数据，以代表可能出现的各种工况。

在闸门开度为0.08 m时，分别观测了三种典型库水位下的水流流态、水面变化及流速分布：

库水位560.325 m（正常高水位），对应下泄流量为 1.557 m3/s，尾水控制水深为 1.25 m；库水位555.992 m（经常出现灌溉高水位），对应下泄流量为1.371 m3/s，尾水控制水深为1.15 m；库水位546.996 m（低水位），对应下泄流量为0.858 m3/s，尾水控制水深为0.87 m。

由于闸门相对开度（5.3%）很小，库水位较高，闸后水流均呈急流状态，由于渐变段侧墙收缩使水流向中间挤压，在0+017.21至0+021.50之间形成水冠，射向下游水体，当库水位为560.325 m时水冠最高水位在0+019.82断面处，冠顶水位为541.22m，水深0.41m；当库水位为555.992 m时水冠发生在桩号0+020.30，最高点水位为 541.19 m，水深 0.38 m；当库水位为546.996 m时水冠发生在桩号0+017.90，最高点水位为541.13 m，水深0.27 m。

在桩号0+019.82~0+031.10之间形成水跃，当库水位为560.325 m时，水跃在0+019.82~0+031.10之间发生；库水位为555.992 m时水跃在0+019.72~0+028.70之间发生；库水位为546.996 m时水跃在0+019.22~0+027.50之间发生；于桩号0+021.50处呈水跃状态射入下游扩散段水体，水流在中部集中，水跃两侧产生回流，回流范围桩号0+025.40~0+029.30，水跃左右摆动不定，两侧回流大小也随之而变，由于流速较高，水流波动亦大，形成不完全、不稳定波状水跃，流态复杂，水流表面呈波动状传至下游，0+031.10之后水面平顺，流态平稳，能平顺传至下游。在通过消力坎时，因坎的阻挡，坎前后水流有些波动，但很快即趋于平稳。

3.2.2 闸门开度0.06 m

在此开度下，分别观测了两种不同典型库水位时的水流流态并测得了相关资料，即：

库水位555.979 m，对应下泄流量为1.092 m3/s，尾水控制水深为1.10 m；库水位549.972 m，对应下泄流量为0.809 m3/s，尾水控制水深为0.85 m。

由于闸门相对开度（4.0%）很小，库水位较高（555.979 m）时，闸后水流呈急流状态，从0+017.21断面后，由于渐变段侧墙收缩使水流向中间挤压，在0+017.21至0+021.50之间形成水冠，射向下游水体，水冠最高处水深为0.34 m，水面高程541.16 m，并在桩号为0+019.22~0+025.40之间形成水跃，于桩号0+021.50处呈水跃状态射入下游扩散段水体，由于水流在中部集中，形成不完全、不稳定波状水跃，水跃两侧产生回流，流态复杂，水流表面呈波动状传至下游；当低水位（549.972 m）运行时，由于流量相对较小，水跃起点在0+019.10断面，受到下游水体的顶托，在进入扩散段0+021.50断面后，水跃强度略有减弱，在0+029.30断面后呈波动状传递至下游。在水流通过消力坎时，受消力坎的影响，堰顶水深小、流速大，在坎前坎后形成跌落，使坎后一段距离内水面波动较大，在由3.0 m×3.0 m洞段进入1.2 m×2.0 m洞段，因断面显著缩窄，故1.2 m×2.0 m洞段流速加大，但水面基本平稳，能顺利与灌溉渠联接。

3.2.3 闸门开度0.12m

在此开度下，试验了一种库水位下的流态并测取了相关水力学资料，即：库水位547.776 m，对应下泄流量为1.439 m3/s，尾水控制水深为1.18 m。

由于闸门相对开度（8%）较小，水流从闸孔流出后，闸后水流也呈急流状态，由于0+012.71断面渐变段侧墙收缩使水流向中间挤压，在0+017.21至0+021.50之间形成水冠，水冠最大水深为0.44 m（桩号0+021.50），水冠顶高程541.26 m，射向下游水体；0+012.71断面中线流速为8.56 m/s，断面平均流速7.86 m/s；在0+018.50形成水跃，跃前水深为0.27 m，断面平均流速6.54 m/s；水流从0+021.50射入扩散段水体，射入流速最大值为3.85 m/s，且为水跃区，水面产生波动，在0+029.30断面水面最高，水面高程为542.10 m，该断面水深平均值为1.51 m，已经超过灌溉洞直墙高度（1.50 m）。

水流在0+029.30至坎前0+066.00之间流速趋于平顺，各断面流速值在0.26 m/s左右，水面高程平均值为542.09 m，可以看出水面相对比较平稳。

水流经过消力坎时，坎顶平均流速加大，坎顶0+066.50断面平均流速为0.59 m/s，坎上平均水深为0.75 m。

水流经过消力坎从3.0m×3.0m段进入1.2m×2.0m段后，由于过水断面（0+086.00）缩小（宽度由3 m缩为1.2 m），断面流速较3.0 m×3.0 m洞段（0+086.00上游断面平均流速为0.24 m/s）显著加大，0+086断面最大流速为1.56 m/s（左侧底部），平均流速为1.35 m/s；该处水面高程为542.00 m。

进入1.2 m×2.0 m洞段后，水流流速逐渐减小趋于平稳，在接近灌溉洞末端0+129.76处平均流速为0.92 m/s，此处水面高程为541.94 m，水流比较平顺，流态比较平稳，能平顺传至下游。

3.2.4 闸门开度0.26 m

在此开度下，试验了一种库水位下的流态并测取了相关水力学资料，即：库水位543.468 m，对应下泄流量为1.512 m3/s，尾水控制水深为1.22 m。

该工况下闸门相对开度为17.3%，由于库水位低、流量大、尾水高，所以收缩段水流出现了明满流过渡状态，明满流出现的范围为桩号0+017.21上游0.6 m至1.8 m。以后为满流。

4 结论及建议

1）由不同开度、不同库水位下，所测库水位与泄量关系曲线，可看出在设计工况及运行工况对满足灌溉流量要求的闸门开度均很小，闸后成射流，流速大，对其闸后结构是不利的，所测库水位与泄量关系曲线可供设计运行参考。

2）根据各种工况的试验资料看出在控制流量小于1.5 m3/s情况下，因闸门开度小，故闸后均为急流状态，水深小流速大，在0+012.71断面最大可达14.48 m/s（流量1.56 m3/s时）。

在0+012.70至0+017.21段因侧墙收缩，在0+017.21至0+021.50段产生水冠，并在0+019.10至0+031.10段出现水跃，水跃进入扩宽段后，向两侧扩散并形成不稳定回流区。该段水面波动大，左右摆动剧烈，流态复杂。

3）在库水位 543.468 m，流量 1.512 m3/s，闸门开度0.26 m时，在收缩段0+012.71~0+017.21段出现明满流过渡流态，对建筑物安全和稳定（通气不足引起闸门震动加大）产生不利影响，应尽量避免该工况的出现。

4）从0+037.00以后水流平稳，波动不大。只有在消力坎附近，因堰顶水深小流速大，水流波动略有增大，而由3.0 m×3.0 m涵洞进入1.2 m×2.0 m涵洞段，因水流急剧收缩，1.2 m×2.0 m洞段首部产生水面跌落，流速增高，引起下游水面一些波动。但可以顺利与灌溉渠联接。

［1］刘志明，汪庆元.水工（常规）模型试验规程:SL155-2012［S］.北京：中国水利水电出版社，2012:4-9.

Experiment Study on Hydraulic Properties of a Irrigation Tunnel in a Reservoir

TIAN Jie

In this paper，the results of hydraulic model test of the irrigation tunnel in a reservoir are introduced and analized deeply and the effects of different gate opening on hydraulic characteristics of flow in irrigation tunnel are investigated.The suggestions are given on the problems in the model test.

hydraulic model test；irrigation tunnel；reservoir

TV131

B

2017-03-27

2017-03-29

田 杰（1980-），男，2002年毕业于太原理工大学水利水电工程专业，工程师。

1006-8139（2017）03-032-03