某水电站施工导流中的水力学问题摘要：本文通过某工程土石过水围堰的度汛水工模型试验和工程应用实践，就其过水高程的合理确定和防止下游坡发生破坏的措施等进行了分析总结。某水电站导流建筑物由导流洞、上游碾压混凝土拱围堰和下游过水土石围堰组成。导流时段为枯期，汛期采用基坑过水方式进行泄流。拱围堰和下游过水土石围堰间为大坝施工基坑，每年汛期基坑过水，大坝停止施工，导流洞和基坑联合过流，其余时段拱围堰挡水，导流洞过流。位于左岸的导流洞全长687.8m，断面为15m18m城门洞型。进、出水口底板高程分别为812.0m和810.0m，洞底坡3.26，出口以5%的反坡与下游河床相接。碾压混凝土拱围堰堰顶高程850.5m，高50m（从建基面算起）。下游过水土石围堰进口堰顶高程827.1m，轴线长171.0m，堰顶宽95.0m，堰末端高程826.1m。过水土石围堰用粘土填筑，中部有防渗墙，堰表面为95cm厚的碾压混凝土，其下依次为30cm厚的碎石层和30cm后的人工砂，下部为石碴和粘土。碾压混凝土堰面布有倾向下游的排水孔。1998年2000年三个汛期围堰过水情况统计见表l。表1 汛期 围堰过水情况表年度次数历时（h）最大泄流量（m3/s）围堰过流量（m3/s）导流洞流量（m3/s）1998736970202020500019993435580630495020009450.5612011504970鉴于工程的重要性与复杂性，每年汛前都在工地试验室根据当年的施工形象面貌进行导流建筑物的度汛水工模型试验。现将该工程中几个主要的水力学问题介绍如下。1、下游过水土石围堰堰顶高程的合理确定原设计堰顶高程为829.0 m，其后以l10的斜坡和826.0m高程水流衔接平台相接。相应于拱围堰堰顶高程850.5m时，导流洞泄量为3940m3/s，其下游水位（位于导流洞出口附近的下0+650m处）为827.86m。但在距导流洞出口约120m处，受右岸支流那戈河泥石流堆积影响，形成了跌坎（急滩），该处巨石林立，水流湍急，没有地形资料。根据水情资料，跌坎上游河道水面比降为0.40.7，下游河道一段约为1%，当实测流量Q=1000m3/s时，跌坎上下游水面落差可达7.0m。显然，水流经那戈河跌坎实现了由缓流到急流的转变，当导流洞单独过流时，就对水流提供了一个新的高速通道，出导流洞水流经那戈河跌坎后以急流状态下泄，与同样流量经由原河道中流过不同，不受0+650m处给定下游水位的影响。相反，在导流洞出口与下游围堰后的区间内为死水区。这样，模型试验要在没有跌坎处地形资料的条件下，依据仅有的流量小于1000m3/s的原型下游水位观测点，模拟跌坎来预报确定不同流量的下游水位。图1为模拟跌坎的下0十650m处的水位流量关系曲线。同图点绘有1998年汛期原型过水时的实测值，可见两者符合良好，受跌坎影响，在导流洞单独过流Q=3940m3/s时，实测下游水位为823.5m，较同一流量经由河道过流时的水位降低4.36m。由于那戈河跌坎使下游水位降低，过水土石围堰堰顶高程829.0m时，在围堰826.0m平台上不能像预计的那样产生完整水跃，而是在围堰末端12斜坡处产生波状水跃。由于消能不充分，在l2斜坡处产生强烈的反向漩滚水流，最大负流速为1.53.0m/s，脉动流速的均方根值达11.5m/s。在模型上可以看到，约相当于原型0.5m左右块度的石料被反漩滚的紊动水流间歇地带到斜坡面上下左右移动。显然，适应下游水位的实际情况。图1 跌坎下0+650m处水位流量关系曲线为确保工程安全，降低下游过水土石围堰堰顶高程是必要的。经多方论证，最终把下游围堰堰顶高程由829.0m降至827.1m，形成顶宽95m，末端高程为826.1m的平台式短渠或堰。2、过水土石围堰末端防护措施下游过水土石围堰在不同流量下呈短渠或宽顶堰流。为消除堰后12斜坡处水流反漩滚的不利影响，采取的措施是将已铺好的826.0m平台末端的钢筋笼上浇筑混凝土，使其形成整体性；在平台后接修30m长、顶部为110的块石保护段，其后按石料水下稳定坡回填，表面为大块石。试验表明，在30m长的110斜坡上无反漩滚水流，仅在其后回填坡的坡脚局部有l1.4m/s的回流流速，且脉动强度小。按此施工的过水土石围堰，三个汛期共经受了19次过流，最大流量达2020m3/s，整个围堰安然无恙。通过工程实践，我们认为，过水土石围堰做成短渠或宽顶堰型式，不在堰顶上以水跃来衔接的作法是可行的；并且，无论采取何种衔接方式，堰末为防止反向漩滚水流的淘刷而导致破坏，采用在反漩滚区回填石料的作法是可取的，当有多余弃渣且条件允许时，适当增加回填区长度，可降低底部流速，对防止围堰被淘刷破坏是有益的。3、大直径导流洞的满宁系数值问题原型实测在库水位达拱围堰顶850.5m时，泄流量为4920m3/s，较设计值3940m3/s为大。为查明其原因，首先认真核对了坝址上下游相关的水文资料，认为其在允许误差范围内。因此，有必要从水力学角度做分析研究。导流洞有压状态流的流量公式为： （1）式中：A0为导流洞出口断面积；H为进口底板以上的作用水头；L和i分别为导流洞洞长和底坡；D0为导流洞出口高度；为压力分布校正系数。流量系数 （2）式中：i为局部水头损失系数；Ai为相应于某一计算段的断面积；n为满宁粗糙系数；R为水力半径。如果取=1.0，用原型实测流量反算得p=1.00.92，相当于式（2）中的总水头损失系数=00.18，这显然是不合理的，也是不可能的。根据试验资料，=0.750.77，而i0.22。据此算得p=0.837，与按n=0.012的计算值=0.814相差2.8%，说明原型导流洞的实际n值应为0.012。某些工程的实例如下：美国Denision坝泄水管道采用钢模板施工，原型实测n=0.0103；我国引滦工程11.4km长的隧洞，用钢模板施工，15年来经两次大规模系统观测，得到其n=0.012；碧口水电站溢洪道采用滑模施工，原型观测得到n=0.0116。导流洞一般属低水头大流量泄水建筑物，本工程导流洞的长度与出口高度的比值L/D0=38.2，水头与出口高度的比值H/D0=1.392.25。这样，便会出现在阻力系统中局部损失系数与沿程损失系数没有明显差异的特殊流动条件。从紊流理论来说，在平顺的进水口后水流紊流边界层的发展要经过一个起始段，才逐步发展到全管的充分紊流。通过该水电站工程的实践以及其它工程实例表明，以原型实测成果为依据，对大直径导流洞的满宁系数n做出合理正确的选择，对计算确定围堰堰顶高程和导流洞的泄流能力，具有重要的工程实用价值。