巴基斯坦卡洛特水电站导流洞水工模型试验研究

岳朝俊，陈道春，窦俊波，林三才，曾 钰

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

隧洞导流是水利水电工程中常用的导流方式之一，常用的隧洞断面形式有圆形、城门洞形、马蹄形、矩形和蛋壳形。圆形断面多用于有压隧洞，适用于各种地质条件，相比其他断面水力特性最佳[1]，巴基斯坦卡洛特水电站导流洞即采用衬砌后直径12.5 m的圆形断面。

导流洞的泄流能力及流态直接关系着导流方案的成败。目前对导流洞泄流能力的计算研究方法中，水力学经验公式法难以反映水流运动过程中的水利要素，而目前采用连续性方程、动量方程及能量方程联合求解也得不到准确结果，只有采用相似理论的水工模型试验能直观反映原型水流的各种水力特性，因此在大型工程中应用较多。

本文通过卡洛特导流洞水工模型试验，模拟分析了各种工况下导流洞的泄流能力及水流流态等，并通过与数值计算的泄流能力结果进行对比，验证了卡洛特水电站导流洞布置方案的合理性。

1 工程概况

卡洛特水电站地处巴基斯坦境内吉拉姆河畔，为Ⅱ等大(2)型工程，工程任务为发电的水电枢纽，水库正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下库容1.52亿m3，电站装机容量720 MW(4×180 MW)。枢纽主要建筑物由沥青混凝土心墙堆石坝、溢洪道、电站引水及尾水系统、电站厂房等组成，最大坝高95.5 m。

根据坝址地形地质等条件、洪水特性和枢纽建筑物布置等因素，卡洛特水电站采用围堰一次性拦断河床、导流洞泄流的导流方式。右岸布置3条直径12.5 m的圆型导流洞。全年围堰挡水采用10 a一遇洪水标准，相应流量为6 740 m3/s，上游水位为433.2 m，上游围堰堰顶高程435.0 m，最大堰高55 m，下游围堰堰顶高程407.5 m，最大堰高27.5 m。导流洞平面布置见图1。

2 模型设计及制作

以卡洛特水电站导流洞泄流能力、流速和下游消能效果等为研究目的，结合试验场地及流量供给条件考虑，导流洞水工模型试验采用正态整体模型，模型按重力相似准则设计[2]，比尺关系如下：几何比尺λL=λh=100，流量比尺λQ=λL2.5=100 000，流速比尺λV=λL0.5=10，时间比尺λt=λL0.5=10，糙率比尺λn=λL1/6=2.154 43。

模型长约25 m，宽约14 m，其中坝轴线上游模拟了导流洞上游主要建筑物及局部河道地形(高程480 m以下)；坝轴线下游模拟的地形长度约1.6 km(高程435 m以下)，包括原吉拉姆河局部河床及导流洞等建筑物的下游出口。整个模型的河道地形采用等高线法制作，且为便于观察水流流态及满足糙率相似的要求，导流洞模型段采用有机玻璃制作完成。

3 试验内容

3.1 试验研究内容

本次模型试验研究的主要内容包括泄流能力、泄洪消能效果、水流流速及流态等。主要观测内容：① 导流洞泄流能力；② 上下游围堰高程的复核确认；③ 进出口流态观察；④ 沿程时均压力分布；⑤ 出口消力池消能效果及流速分布。

3.2 试验工况

根据导流洞设计洪水标准及特征流量，制定本试验的试验工况及条件见表1。

表1 水工试验控制条件Tab.1 Control condition of hydraulic model test

4 试验分析

本次模型试验主要研究10 a一遇洪水流量及小于此流量条件下导流洞泄流能力、流态、时均压力及出口消力池的消能效果等。

4.1 泄流能力

在试验中，随着库水位从391.96 m升至432.20 m，3个导流洞泄流量由330 m3/s增加至6 740 m3/s。将试验测得的泄流能力值与数值计算值进行对比，可以看出两者差别不大，见图2。

图2 导流隧洞泄流能力计算与模型对比示意Fig.2 Discharge comparison between calculation values and test results of diversion tunnels

当导流洞下泄6 740 m3/s流量时，上游围堰堰前水位约为432.05 m，较堰顶高程设计值435.00 m约低2.95 m；下游围堰堰前水位约为406.5 m，较堰顶高程设计值407.50 m约低1.0 m。此外，在动床冲刷试验中，导流洞下游河道内产生了一定程度淤积，引起其上游河道内水位升高，下游围堰堰前水位升高约0.4 m，相应堰前水位约为406.90 m，较堰顶高程设计值407.50 m约低0.6 m。以上试验结果表明上下游围堰堰顶高程设置合理。

4.2 流 态

在1～3号导流洞联合下泄500～6 740 m3/s流量时，对导流进口、洞内及出口流态进行了观测，观测结果表明：随着流量增大，上游水位逐步抬高，1～3号导流洞内依次出现明流、半有压流、明满流交替、全有压流4种水流状态，水流下泄通畅。

当导流洞下泄6 740 m3/s流量时，受上游河道弯道地形影响，上游来流偏右岸。由于导流洞引水渠右侧与上游地形交角较大，水流进入导流洞引水渠时，右侧存在一定程度的绕流，与1号导流洞前形成一股较强回流(顺时针)，有间歇性浅涡形成，同时3号导流洞偶有吸气漩涡形成，直径最大达5 m。导流洞内沿程均为有压流，出口基本完全淹没，消能区内形成淹没水跃，水面波动较强，引渠内主流流向偏右。导流洞出口末端上游河道内形成一股回流，导致下游土石围堰水面波动明显，对下游围堰边坡有一定冲刷。

各级流量下导流洞进口、洞内流态及进口漩涡状态见表2。

表2 1～3号导流洞联合泄流流态Tab.2 United flow state of No.1～3 diversion tunnels

4.3 时均压力

本次模型试验在工况1～6条件下，测量了导流洞洞身顶部、侧墙及底部的沿程时均压力，结果表明：各工况下，各测点时均压力未出现负压，同时随下泄流量增加而增大，压力分布较为均匀，无明显压力突变部位，压力特性较好[3]。

4.4 出口消能区流速

当导流洞下泄6 740 m3/s流量时，导流洞出口消力池内底部流速最大值约为20.24 m/s；385 m平台范围内底部流速最大值约为14.44 m/s，位于1号导流洞出口中心线上(消力池尾坎后)，平台末端底部流速最大值约6.58 m/s，位于1号导流洞出口中心线上；出口所对应河槽区域底部流速值相比消力池尾坎后有显著降低，流速值约为4.05～5.90 m/s。

当导流洞下泄流量为5 000～3 500 m3/s时，导流洞出口消力池内底部流速最大值约为15.21～11.19 m/s；385 m平台范围内底部流速最大值约为11.19～8.88 m/s，位于2或3号导流洞出口中心线上(消力池尾坎后)，平台末端底部流速最大值约为4.40 m/s，位于1号导流洞出口中心线上；导流洞出口所对应河槽区域底部流速值相比坎后有显著降低，最大值约为2.65～2.37 m/s。

由测得的出口消能区流速可知：导流洞出口水流经消力池后流速明显降低，消力池消能效果明显[4]。

5 结 语

卡洛特水电站导流洞水工模型试验结果表明：导流洞泄流能力与计算结果一致，满足要求，上下游围堰顶高程设置合理；进出口水流较平顺，导流洞在下泄6 740 m3/s流量时，出口河道回水对下游围堰边坡有一定冲刷，应加强围堰下游边坡防护；在各工况下，洞身段均未出现负压，压力分部较为均匀；导流洞下泄水流经消力池后，流速明显降低，消力池消能效果明显；导流洞各项设计指标均满足要求。

目前，导流洞已下闸封堵，卡洛特水电站已蓄水发电，整个施工导流期间，导流洞运行状况良好，进出口及洞身未见水流淘蚀破坏，进一步证明了导流洞设计方案合理。