石教豪，劉 毅，段春榮，盛 君

（1．長江科學(xué)院a．水力學(xué)研究所；b．長江工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司；2．長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010）

陡坡導(dǎo)流隧洞進口體型試驗研究

石教豪1a，劉 毅1b，段春榮2，盛 君1a

（1．長江科學(xué)院a．水力學(xué)研究所；b．長江工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司；2．長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010）

陡坡導(dǎo)流隧洞由于坡度較陡，洞內(nèi)流態(tài)不好控制，進口體型優(yōu)化比較關(guān)鍵。針對某項目施工導(dǎo)流工程進行了1∶85水工整體模型試驗，通過對進口、洞身流態(tài)進行比較，提出了隧洞進口布置形式的推薦方案，結(jié)果表明：方案一進口頂部采用橢圓形式，雖然在2級流量下，上游水位大大降低，但在導(dǎo)流設(shè)計流量條件下洞身形成明滿流交替現(xiàn)象，對洞身安全不利；方案二隧洞進口采用銳緣形式，使導(dǎo)流洞的泄流能力、進口及洞內(nèi)流態(tài)、壓力特性均滿足設(shè)計要求，可確保在各級導(dǎo)流流量下，洞身段均為明流，故建議將其作為推薦方案。研究成果可供設(shè)計參考應(yīng)用。

導(dǎo)流；隧洞；進口；流態(tài)；體型

1 工程背景

陡坡導(dǎo)流洞具有洞身流速大、明滿流交替區(qū)間較大等特點，而明滿流交替流態(tài)將使洞內(nèi)水流的動水壓力、流速等發(fā)生周期性的變化，且極易產(chǎn)生空化空蝕破壞，危及隧洞結(jié)構(gòu)，從而影響建筑物的運行安全。因此，為了保證建筑物的安全，很有必要對陡坡導(dǎo)流洞的明滿流交替流態(tài)以及控制措施進行研究。

圖1 某工程施工導(dǎo)流平面及剖面圖Fig．1 Plan and profile of the diversion work for project construction

某山區(qū)河道施工導(dǎo)流工程隧洞坡度較陡（i＝7．6%），施工導(dǎo)流采用一次性攔斷河床、圍堰全年擋水、隧洞泄流的方式。圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)按10年一遇洪水設(shè)計，相應(yīng)全年最大瞬時流量Q＝286 m3／s，設(shè)計方案上游圍堰軸線長約150 m，堰頂高程369 m，最大高度約50 m，截流流量Q＝225 m3／s。施工導(dǎo)流平面及剖面圖見圖1。

導(dǎo)流隧洞進口底板高程為350 m，出口高程為265m。導(dǎo)流隧洞斷面形式選用施工方便的城門洞型，隧洞尺寸5 m×6 m（寬×高），高寬比為1．2，頂拱半徑2．89 m，中心角120°。導(dǎo)流隧洞洞身由進口直線段、圓弧段及出口直線段組成，長度為1 124．35 m。

進口明渠：底高程350．0 m，長約60 m，漸變段長10 m。出口明渠：翼墻段兩側(cè)擴散角為6°，漸變段長10 m。出口明渠底板高程為260 m，鼻坎高程為260 m，高過下游可能的最高水位259．74 m，確保隧洞出流為自由挑流，下接挑流鼻坎，反弧半徑25 m，挑角30°。

由于隧洞坡度較陡（i＝7．6%），陡坡隧洞水力學(xué)問題較復(fù)雜，具有洞身流速大、明滿流交替區(qū)間較大等特點，目前尚無類似工程可循［1］。根據(jù)工程等級及其隧洞坡度較陡、運行期長（5年）的特點，依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，應(yīng)開展水工整體模型試驗研究隧洞體型及下游消能防沖布置方案，并驗證圍堰設(shè)計高程的合理性，確保隧洞運行安全。由于隧洞出流為自由出流，下游水位不會影響洞內(nèi)流態(tài)，故本試驗關(guān)鍵是隧洞進口體型優(yōu)化。

2 模型設(shè)計

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，為正態(tài)水工整體模型，模型比尺為1∶85。模型相應(yīng)參數(shù)比尺如下：時間比尺為λt＝λl1／2＝9．220；流量比尺為λQ＝λl5／2＝66 611．21；流速比尺為λv＝λl1／2＝9．220；糙率比尺為λn＝λl1／6＝2．097。

模型模擬上游地形長約400 m，最高高程模擬至390 m，模擬下游地形長約640 m，高程模擬至270 m。模型寬度5 m，長度25 m，包含導(dǎo)流洞及上下游地形及工作平臺。模型制作和安裝精度均滿足SL155—95《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》、SL156—165—95《水工（專題）模型試驗規(guī)程》要求。

為了更精確地量測過流量，試驗采用三角堰量測流量，采用水位測針量測水位［2］。

3 試驗成果及分析

3．1 方案一

該方案隧洞進口頂部采用典型的橢圓形式，橢圓方程（見圖2）為

為增大進口流速，降低水深，盡量避免洞內(nèi)明滿流的發(fā)生，上游明渠底板高程為350．8 m，高于隧洞進口底高程350 m。導(dǎo)流隧洞斷面形式不變，長度為1 149．88 m。

試驗觀測了導(dǎo)流洞進口、洞內(nèi)流態(tài)。試驗測得上游水位與流量的關(guān)系見表1。泄流能力見圖3。

表1 方案一上游水位與流量關(guān)系Table 1 Relation between upstream water level and discharge flow in scheme 1

圖2 方案一進口大樣圖Fig．2 Detailed draw ing of the inlet in scheme 1

圖3 方案一泄流能力曲線Fig．3 Curve of discharge capacity in scheme 1

實測設(shè)計流量Q＝286 m3／s時，H上＝357．67 m。H上／a＝（357．67－350）／6＝1．28，1．2＜H下／a＜1．5，進口為半有壓流或不穩(wěn)定流流態(tài)（其中，a為洞高［3］）。觀測結(jié)果如下。

（1）進口：庫水位隨著流量增大而逐步抬高，當(dāng)Q≥243．33 m3／s時，隧洞進口被淹沒，同時伴隨有串通吸氣漏斗漩渦產(chǎn)生。

（2）洞內(nèi)：當(dāng)Q≥243．33 m3／s時，洞內(nèi)開始形成明滿流交替流態(tài)，且流量區(qū)間很大，在Q＝539．20 m3／s時，洞內(nèi)仍為明滿流交替流態(tài)。

（3）在流量Q＝225 m3／s、下游水位H下＝248．67 m時，進口未被淹沒，洞內(nèi)均為明流狀態(tài)。在流量Q＝286 m3／s、H下＝248．67 m時，進口被淹沒，伴隨有串通吸氣漏斗漩渦產(chǎn)生，洞身為明滿流交替形態(tài)。2級流量進口流態(tài)見圖4。

圖4 方案一進口流態(tài)Fig．4 Flow pattern at the inlet in schem e 1

方案一試驗成果表明：進口頂部采用橢圓形式，在設(shè)計流量Q＝286 m3／s時，上游水位較低，但洞身在Q＝243．33～539．20 m3／s流量區(qū)間內(nèi)形成明滿流交替形態(tài)，同時進口有串通吸氣漏斗漩渦產(chǎn)生。為避免上述不利流態(tài)，進口體型需要進行優(yōu)化。

3．2 方案二

由于進口頂部采用典型的曲線型式，洞內(nèi)流態(tài)不佳，考慮到隧洞坡度較陡較長，隧洞進口采用銳緣形式，以期產(chǎn)生水流封閉進口而洞內(nèi)產(chǎn)生明流流態(tài)，見圖5。

試驗觀測了導(dǎo)流洞進口、洞內(nèi)流態(tài)，測得方案二上游水位與流量的關(guān)系見表2，泄流能力曲線見圖6。

表2 方案二上游水位與流量關(guān)系Table 2 Relationship between upstream water level and discharge flow in scheme 2

圖5 方案二進口大樣圖Fig．5 Detailed draw ing of the inlet in scheme 2

圖6 方案二泄流能力曲線Fig．6 Curve of discharge capacity in scheme 2

實測設(shè)計流量Q＝286 m3／s時，H上＝366．01 m。H上／a＝（366．01－350）／6＝2．67，H上／a＞1．5，進口為有壓流［3］。觀測成果如下。

（1）進口：Q＝34．94～130．09 m3／s時，進口均未被淹沒，洞內(nèi)呈明流，出口呈自由出流，隨著流量增大，上游水位逐步抬高，當(dāng)Q≥148．94 m3／s時，隧洞進口被淹沒。

（2）洞內(nèi)：當(dāng)Q≥148．94 m3／s、H上≥356．00 m時，由于進口頂部為銳緣，且隧洞底坡較陡，導(dǎo)流洞進口段形成閘孔出流形態(tài)，雖過進口后有一水面跌落，隨后水面壅起，但水面未觸及洞頂，進口后的洞身段均為明流。

（3）當(dāng)Q＝225，286 m3／s兩級流量下，進口均被淹沒，偶有漩渦產(chǎn)生，進口段之后均為明流。兩級流量進口、洞身流態(tài)見圖7。

圖7 方案二進口流態(tài)Fig．7 Flow pattern at the inlet in scheme 2

4 結(jié)論和建議

通過2種典型方案的試驗分析可知：方案一進口頂部采用典型橢圓形式，雖然在2級常遇流量下上游水位大大降低，但在導(dǎo)流設(shè)計流量條件下洞身形成明滿流交替現(xiàn)象，對洞身安全不利，明渠內(nèi)流速不大；方案二隧洞進口采用銳緣形式，上游進口未見表面漩渦，洞內(nèi)流態(tài)大大改善，導(dǎo)流洞的泄流能力、進口及洞內(nèi)流態(tài)均滿足設(shè)計要求。考慮到河道狹窄，圍堰工程量較小，故建議進口頂部采用銳緣形式。由于銳緣進口跟流態(tài)的關(guān)系目前尚無成熟的理論來支撐，一般通過試驗來分析，本文試驗成果如下：（1）在圍堰擋水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)流量Q＝286 m3／s（洪水頻率P＝10%）時，上游水位為366．11 m，低于圍堰堰頂高程369 m，表明導(dǎo)流洞泄流能力滿足要求。（2）在Q≥186 m3／s，H上≥358．16 m時，進口開始淹沒，偶有漩渦產(chǎn)生；在Q＝286，225 m3／s兩級流量時，進口均被淹沒，洞身進口段類似閘孔出流水流形態(tài)，洞身為明流。（3）由于進口頂部采用銳緣形式，局部損失較大，對泄流能力有較大影響，進口形式與泄流能力、導(dǎo)流洞坡度以及流量與洞內(nèi)流態(tài)的關(guān)系還需做進一步探索。

［1］ 清華大學(xué)水力學(xué)教研組．水力學(xué)（下冊）［M］．北京：人民教育出版社，1980．（Hydraulics Research Team of Tsin ghua University．Hydraulics（the Second Volume）［M］．Beijing：People’s Education Press，1980．（in Chinese））

［2］ 李學(xué)海，石教豪，曾正春．馬來西亞沐若水電站施工導(dǎo)流1∶80水工整體模型試驗成果報告［R］．武漢：長江科學(xué)院，2009．（LI Xue hai，SHI Jiao hao，ZENG Zheng chun．Reporton the1：80 Hydraulic Model Test for the Di version Work of Muruo Hydropower Station in Malaysia［R］．Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2009．（in Chinese））

［3］ 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研組．水力計算手冊（2版）［M］．北京：中國水利水電出版社，2006．（Hydraulic Fluid Mechanics Teaching and Research Team of School ofWater Resources and Hydropower Engineering of Wuhan University．Manual of Hydraulic Calculation（Second Edition）［M］．Beijing：China Water Power Press，2006．（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁 黃 玲）

Research on the Inlet Shape of Steep Diversion Tunnel by M odel Test

SHIJiao hao1，LIU Yi2，DUAN Chun rong3，SHENG Jun1
（1．Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Wuhan Changke Engineering Construction Supervision Co．Ltd．，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3．Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China）

Since the flow pattern in steep slope pilot tunnel is difficult to control，it’s critical to optimize the inlet shape．A 1∶85 hydraulicmodel test is carried out for the diversion work of a project construction．By comparing the inlet and the flow pattern in the tunnel，it’s found thatelliptic top of the inlet is detrimental to the tunnel safety，in which case the upstream water level under two stage flow conditions is reduced remarkably，but themixed free sur face pressure flow occurs in the tunnel under the designed diversion flow condition．The tunnel inlet with sharp edge is recommended，with which the discharge capacity，the flow pattern，and the pressure characteristics could allmeet the design requirements．It can ensure that the flow in the tunnel is always free flow at all levels of diver sion flow．

flow diversion；tunnel；inlet；flow pattern；shape

TV135．5

A

1001－5485（2013）08－0037－03

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．009

2013，30（08）：37－39，53

2013－04－16；

2013－06－21

石教豪（1976－），男，湖北大冶人，高級工程師，主要從事水工水力學(xué)方面的研究，（電話）027－82829903（電子信箱）shijiaohao＠126．com。