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(1.長江科學院 水力學研究所，武漢 430010；2.武漢大學 水利水電學院，武漢 430072)

1 研究背景

水工隧洞是水利水電工程中常用的過流建筑物。由于水工隧洞自身的特點，在隧洞布置及設計時，除了地形和地質條件制約外，還涉及到許多水力學問題，主要包括隧洞運行時的水流流態(tài)、泄流能力、洞內壓力特性以及洞下游的水流銜接等[1]。

按水工隧洞的作用，可分為泄洪洞、導流洞、放空洞以及發(fā)電引水洞等，各類隧洞都有各自的水流適用條件。一般深式進水口泄洪隧洞，其承受的水頭較高、流速較大，如果體形設計不當或施工存在缺陷，可能會引起高速水流空化空蝕，隧洞出口單寬流量大、能量集中，會造成下游河道的嚴重沖刷；導流隧洞作為施工期臨時過水建筑物，其運行特點是工作水頭相對較小、流量變化區(qū)間大，如果導流洞是陡坡長隧洞，局部洞段內還會出現(xiàn)時而有壓、時而無壓的明滿流過渡流態(tài)，繼而引發(fā)洞壁的振動或者空蝕破壞[1-2]；放空洞承擔大壩檢修及人防時放空水庫的作用，其工作時的庫水位要承接泄洪孔洞的下限工作水位，直至放空水庫，放空洞工作水頭變幅大，洞內各水流要素也變化顯著；發(fā)電引水隧洞工作水頭較高，一般要求水頭損失小，其洞內流速和水流紊動強度有一定限制要求。如果泄洪洞、導流洞以及放空洞等由于技術經(jīng)濟原因而合一布置時，隧洞將面臨著不同運行階段顯著的水力差異性考驗；相應地，工程設計難度會增大，隧洞的運行管理也更加復雜。

本文結合某多用途長隧洞水工模型試驗研究[3]，分析探討了該類型水工隧洞在不同運行條件下的相關水力特性及運行管理對策。

2 隧洞布置及相關水力要求

該樞紐工程的任務是灌溉、生態(tài)建設、兼顧發(fā)電和防洪。樞紐建筑物由心墻土石壩、泄洪隧洞、非常溢洪道、引水隧洞水電站等組成。樞紐水庫總庫容3.95億m3，大壩為瀝青心墻土石壩，最大壩高68.5 m，左岸設開敞式溢洪道，右岸設導流、泄洪、放空沖沙及發(fā)電引水共用的一條隧洞。根據(jù)調洪計算，水庫的正常蓄水位為4 298.0 m，防洪限制水位為4 296.0 m，洪水期考慮泄洪洞與溢洪道聯(lián)合泄流，設計洪水位4 298.98 m時，流量為350.0 m3/s，校核洪水位4 304.91 m時，流量為462.0 m3/s。

圖1 隧洞縱剖面布置

在考慮施工期導流及運行期泄洪、沖沙、發(fā)電各方面影響因素后，擬定該隧洞一次建成。隧洞進口高程為4 265.0 m，出口高程4 255.0 m，縱向采用一坡到底布置方案，底坡i=0.017 7。隧洞出口下游設置消力池；進口采用塔式進水口，以1/4橢圓形成喇叭型進口。隧洞橫斷面為圓形，洞徑5.4 m，長576.3 m，控制段設在隧洞出口處，孔口尺寸為5.4 m×3.85 m(寬×高)，工作閘門為弧形門。在距離泄洪隧洞進口396.0 m的主洞左側腰部另開一支洞作為引水發(fā)電洞，洞徑2.0 m，長150.7 m。隧洞縱剖面布置如圖1所示。

表1 模型隧洞進口水流雷諾數(shù)和韋伯數(shù)計算

該隧洞在承擔不同用途時的相關水力要求如下[3]：

當作為導流隧洞運行時，針對上游圍堰高程及壩體施工進度安排，對導流隧洞的泄流能力提出了分階段控制標準，即上游水位4 276.5 m時，隧洞應能下泄流量243 m3/s，上游水位4 280.0 m時，隧洞要求下泄流量270 m3/s。同時，隧洞導流期間還應避免出現(xiàn)明滿交替過渡流等不利流態(tài)，以免引發(fā)洞壁的水力振動及空蝕破壞。

當作為泄洪隧洞運行時，隧洞的泄流能力應滿足設計洪水位泄流350.0 m3/s、校核洪水位泄流462.0 m3/s的設計要求；隧洞正常運用時的洞壁最小內水壓力不小于2.0×9.81 kPa；發(fā)電支洞岔管引起的水流分離要滿足不發(fā)生空化空蝕的要求。

當作為放空洞運行時，在汛限水位4 296.0 m及以下，隧洞泄流既要滿足洞身的水力安全要求，同時還要兼顧該時段下游河道的泄流量不超過160 m3/s的行洪要求。

另外，在隧洞的上述各運行階段，其下游的消能設施應能滿足工程安全運行的要求。

3 試驗模型

根據(jù)該長隧洞模型試驗研究內容及可能涉及的隧洞進口水流表面漩渦等問題，在模型比尺選取時要綜合考慮隧洞管壁材料糙率及進水口水流漩渦的相似要求。由于一般模型中水流的黏滯力和表面張力對漩渦的抑制作用較原型強，可能導致模型中水流漩渦與原型不相似。目前常用的水流漩渦相似判據(jù)是：在考慮模型水流佛氏數(shù)(Froude number)與原型相似的前提下，為使模型水流粘滯力和表面張力的影響相對較小，對模型水流雷諾數(shù)(Reynolds number)和韋伯數(shù)(Weber number)提出了臨界約束條件[4-5]，即模型水流雷諾數(shù)Re=Q/νs>3.0×104，韋伯數(shù)We=ρV2d/σ>120，其中Q為流量，ν為水體運動黏滯系數(shù)，s為進水口孔口中心淹沒深度，ρ為水體密度，d為孔口高度，σ為水體表面張力系數(shù)。

當該隧洞模型采用比尺Lr=30、按管道阻力相似設計時，模型管道的糙率應為0.007 9，與有機玻璃管壁模型糙率基本相符；各運行條件下模型水流雷諾數(shù)和韋伯數(shù)見表1，可以看出，該比尺模型各試驗條件下的水流雷諾數(shù)和韋伯數(shù)均滿足隧洞進口水流漩渦相似的要求。模型模擬范圍包括上游水庫、泄洪隧洞、電站引水分岔管道、隧洞下游消力池、海漫及下游河道。

4 隧洞各運行階段水流特性及存在的問題

4.1 隧洞泄洪流態(tài)

在閘門全開條件下，當隧洞泄流Q=54 m3/s時，H庫=4 269.04 m；隧洞進口前水流平順，無漩渦等不良流態(tài)；洞內全程為明流流態(tài)，在發(fā)電支洞岔口位置，主洞內的水深為1.63 m，水面線低于岔管口底高程約0.07 m，洞內水面無水流折沖現(xiàn)象。當隧洞流量增加至Q=130 m3/s時，H庫=4 271.47 m、H/D=1.20(式中H為從隧洞進口底板起算的上游水深，D為洞徑)；隧洞進口前流態(tài)仍然較好，洞內全程為明流流態(tài)，但發(fā)電支洞岔口位置，主洞內的最大水深約3.0 m，岔管內有強烈的平面剪切回漩流生成；同時，由于岔管口對水流的擾動，主洞內形成了0.5 m高的水翅，并產(chǎn)生了一定強度的水流折沖，在岔管口以下約60 m以后，主洞內的水流折沖現(xiàn)象才基本消失。

當隧洞泄流為Q=150 m3/s時，H庫=4 271.94 m，H/D=1.28；隧洞進口前進流平順，無漩渦等不良流態(tài)，除檢修門槽下游90 m范圍內出現(xiàn)明滿交替流外，隧洞其它部位均為穩(wěn)定的明流流態(tài)，門井內有水流吸氣的聲響，門井后有壓洞頂有氣泡形成，并隨水流下行；與洞內明滿交替流伴生的水力現(xiàn)象是，洞頂小氣泡周期性地變大為氣囊并發(fā)生潰滅，而門井后滿流段長度則在10～90 m之間變化。在發(fā)電支洞岔口位置，主洞內水深約3.3 m，明流水面線在岔管口高度范圍內，岔管口下游主洞內仍發(fā)生水流折沖及水翅沖頂現(xiàn)象，水翅沿洞壁的最大爬升高度約0.9 m，岔口段洞壁可能會發(fā)生沖蝕破壞。

表2 隧洞岔管段特征部位不同流量下的水力參數(shù)

當隧洞泄量為Q=200 m3/s時，H庫=4 273.12 m，H/D=1.50；上游水位已高于隧洞喇叭進口頂緣1.4 m，進口前水流平順、無漩渦生成，檢修閘門井內間歇性地出現(xiàn)水流吸氣現(xiàn)象；隧洞前端滿流段長度在300～380 m之間交替變化，滿流段管頂有大量小氣泡及尺度較大的氣囊順流而下，氣囊最長時達60 m，其生成和持續(xù)時間6～8 min；在岔管口處，主洞內的水深約3.7 m，與岔管口頂緣基本平齊，但岔管口引起的水翅可爬升至洞頂，水翅最大高度達1.7 m，明流主洞內仍存在水流折沖現(xiàn)象。

當隧洞泄量為Q=220 m3/s時，H庫=4 273.96 m，H/D=1.66，隧洞全程呈剛剛滿流流態(tài)，進口前有持續(xù)的吸氣型立軸漩渦生成，漩渦直徑最大約1.5 m，洞內頂部有連續(xù)不斷的小氣泡隨水流下行，洞頂偶爾形成直徑0.2～0.3 m的較大氣泡。隨著上游來流量增大，水庫水位升高，隧洞進口前漩渦尺度逐漸減小，進入隧洞內的氣泡數(shù)量也在減少。當流量Q>300 m3/s，H庫>4 286.45 m時，隧洞進口前的水流漩渦才完全消失。

4.2 隧洞泄流能力

工作閘門全開時的隧洞泄流能力試驗成果如圖2所示。根據(jù)施工導流設計要求，在H庫=4 276.5 m和4 280.0 m時，隧洞要能下泄243 m3/s和270 m3/s的流量。從試驗成果可以看出，隧洞實際只能下泄流量237 m3/s和260 m3/s，比設計值分別偏小2.5%和3.7%。當隧洞作為泄洪洞運行，并在防洪限制水位及以上時，模型隧洞實測泄流量大于設計值3.0%～4.0%。模型試驗結果表明，在原型隧洞壁面糙率n=0.014條件下，將隧洞作為導流洞運用時，其泄流能力略偏小，這與隧洞在泄流210～300 m3/s時存在進口吸氣型漩渦及洞中水流有氣泡有一定關系；當作為泄洪洞在防洪限制水位以上運行時，由于庫水位相對較高，隧洞進口前流態(tài)良好，其泄流能力有一定富余。

圖2 隧洞全程滿流時的泄流能力曲線

4.3 隧洞的動水壓力及水流空化特性

泄洪隧洞在樁號0+387.0 m位置有分岔發(fā)電支洞，其主洞和支洞分岔段的動水壓力及水流空化特性關系到隧洞的安全運行。由模型試驗可知，在閘門全開條件下，隧洞全程為滿流的臨界流量為Q=220 m3/s；因此，在Q<220 m3/s的一定流量區(qū)間，隧洞支岔管段會產(chǎn)生強度不一的明流沖擊波及水翅現(xiàn)象，表明此處可能存在水流分離或負壓。因此，針對隧洞岔管口段特征部位進行了動水壓力及流速觀測，并計算了相應部位的水流空化數(shù)，各試驗工況的相關參數(shù)見表2，表中1#，2#測點在岔管口的上、下游主洞側腰部，3#，4#測點位于支洞進口以內斷面的左右側腰部。

表中水流空化數(shù)σ計算公式：

(1)

式中：p0是試驗得到的洞壁面時均壓力；pa是當?shù)卮髿鈮?因當?shù)睾０胃叱碳s4 260 m，其大氣壓強比標準大氣壓低約46.4 kPa)；pv是水的汽化壓力，按水溫15℃時的取值為1.7 kPa；v0是根據(jù)水深計算的斷面平均流速；ρ是水的密度。

試驗成果表明，當岔管附近的明流水面線在支洞的洞徑高度范圍內變化時，岔管口周邊壁面均有一定的負壓，即使在隧洞剛為全程滿流Q=220 m3/s工況下，岔尖下游主洞壁面仍然有負壓出現(xiàn)；試驗測得壁面最大負壓為-3.10×9.81 kPa，出現(xiàn)在流量Q=200 m3/s時的岔尖下游主洞側腰。

根據(jù)各水力試驗參數(shù)計算得到4種工況岔管處的最小水流空化數(shù)分別為0.72，0.67，0.20和1.08，即泄流量在200 m3/s左右時，隧洞岔管段壁面發(fā)生空蝕破壞的風險較大。

4.4 存在的主要水力學問題

從上述模型試驗成果可以看出，當隧洞下泄流量在55 m3/s

5 隧洞安全運行優(yōu)化措施研究成果

針對該隧洞在不同階段存在的水力學問題以及隧洞布置難以調整這一現(xiàn)狀，首先要解決隧洞導流時泄流能力偏小的問題；因隧洞在正常泄洪時的泄流能力比設計值偏大3.0%～4.0%，洞徑不宜再增大；因此，要提高隧洞導流期的泄流量，宜從改善隧洞進口前流態(tài)、消除吸氣型漩渦方面入手。而隧洞內出現(xiàn)的明滿交替流及支岔管口引起的不良水力現(xiàn)象，則需要通過隧洞末端弧形閘門的合理調度來加以改善。當然，啟用隧洞工作弧門進行水力調控，還要受其它水流條件的制約。如作為導流隧洞運用時，其上游圍堰高程及導流后期大壩的施工進度，決定了施工導流期的上游水位限制條件；當作為水庫放空洞運用時，既要考慮高庫水位時段下游河道的流量限制，又要考慮低庫水位時段洞內不出現(xiàn)不良水流條件的要求；另外，在隧洞工作弧門各種調度方式下，其下游的水流銜接及消能還應滿足工程安全要求。

5.1 提高導流期隧洞泄流能力的優(yōu)化研究

在施工導流期，當流量在Q=220～270 m3/s區(qū)間時，根據(jù)戈登公式S=CVd1/2，計算得到隧洞進口前不產(chǎn)生貫通式吸氣漩渦的洞頂以上最小淹沒水深為12.3～15.1 m，而模型試驗實測進口洞頂以上淹沒水深為3.6～12.3 m，分別比相應流量的臨界水深低8.7～2.8 m。因此，在上述流量范圍內，隧洞進口前出現(xiàn)吸氣型立軸漩渦是必然的，而伴隨著吸氣漩渦的是洞內有大量氣泡存在，其會減小隧洞的泄流能力。根據(jù)該隧洞進口布置，在模型上進行了消除進口吸氣漩渦的試驗研究，最后采用了在進口前攔污柵門槽內放置一平板門消除吸氣漩渦的方案，即平板門總高度約2.5 m，門底緣只要沉入水面以下約1.5 m，上述各流量時隧洞進口前的吸氣漩渦就完全消失，圖3為放置平板門前后的漩渦流態(tài)對比。在此基礎上，進行了隧洞在導流期特征上游水位4 276.5 m及4 280.0 m時的泄流試驗，其泄流量分別達243 m3/s和266 m3/s，比隧洞進口采用消渦措施前增大流量6～7 m3/s，與設計值相比，流量最多偏小1.5%，基本滿足施工導流期的安全運行要求。

圖3 放置平板門前后的漩渦流態(tài)對比

5.2 作為導流隧洞時的運行調度方式研究

該隧洞在導流前期和后期分別對上游最高水位提出了4 276.5 m和4 280.0 m限制要求，通過對隧洞進口采取消渦措施后，其前期導流最大流量可達243 m3/s，后期導流最大流量可達266 m3/s；而隧洞導流時出現(xiàn)不良水力條件的流量區(qū)間為55～220 m3/s。因此，在上游水位不超過各階段設計最高水位的前提下，通過工作弧門控泄方式使洞內呈現(xiàn)滿流流態(tài)，可以實現(xiàn)改善洞內水力特性的目標。

在上述2級庫水位限制條件下，進行了導流期不同泄流量與弧門開度關系的試驗及相關計算分析，結果見圖4?？梢钥闯觯趯Я髌诹髁?5～220 m3/s區(qū)間內，可通過弧門控泄使洞內水力條件得到改善。在前期導流階段，當弧門在圖中上游水位4 276.5 m的臨界開度線與洞內正壓力臨界開度線之間運行時，隧洞內不會出現(xiàn)不良流態(tài)，也不會產(chǎn)生負壓及水流空化現(xiàn)象；在后期導流階段，當弧門在上游水位4 280.0 m的臨界開度線與洞內正壓力臨界開度線之間運行時，其隧洞的水力安全性均能得到保障；在導流期流量Q<55 m3/s或者Q>220 m3/s時，不用弧門調控，將弧門提至全開，洞內的流態(tài)及相關水力特性會維持在較好的狀態(tài)。

圖4 導流期不同泄流量與弧門臨界開度關系

另外，如果將發(fā)電支洞岔管口高程抬高1.4 m，使其岔管口底高程高出隧洞底部3.1 m(Q=130 m3/s、H/D=1.20時，隧洞全程明流，支洞岔管口處隧洞水深約3.0 m)，則隧洞泄洪時需要進行弧門調控的流量區(qū)間將縮小至130～220 m3/s，閘門調度工作量將進一步減小。

5.3 作為放空洞時的運行調度方式研究

鑒于該工程下游河道在水庫放空過程中要求泄流量Q≤160 m3/s，在高庫水位泄流時段，必須采用弧門控泄方式才能滿足設計要求。而從該隧洞的泄流特性來看，在閘門全開、H庫≤4 272.2 m條件下，雖然隧洞的泄流量Q≤160 m3/s，但隧洞內存在明滿交替流問題；或者隧洞雖然全程明流，但隧洞內的發(fā)電支洞岔口會引起主洞內水流折沖及水翅沖頂現(xiàn)象，岔尖下游主洞壁面發(fā)生空蝕的風險較高；只有當弧門全開敞泄的泄流量Q<55 m3/s時，隧洞內明流水面線才不受岔管口邊界的擾動。因此，在流量Q≥55 m3/s時，必須按弧門控泄方式運行，且要保證全洞為滿流流態(tài)及正壓力分布，同時在Q≤160 m3/s的前提下，應盡可能加大泄流量，以盡快放空水庫。根據(jù)上述原則進行了相應的模型試驗及計算分析，最后整理出該隧洞在水庫放空過程中的庫水位與弧門開度、流量關系曲線，如圖5所示。

圖5 放空期庫水位與弧門開度、流量關系曲線

根據(jù)試驗成果可知，在水庫放空過程中，當按圖5中的庫水位與弧門相對開度關系進行調度時，隧洞內不會出現(xiàn)負壓力，其放空洞流量Q≤160 m3/s；圖5中流量過程線為各庫水位時所對應的隧洞最大允許下泄流量。

另外，如果抬高支洞岔管口高程1.4 m，在水庫放空及施工導流時段，需要利用弧門進行控泄的最小流量將從55 m3/s提高至Q=130 m3/s；即按圖5的調度方式放空水庫時，只要H庫≤4 272.56 m(此時Q=130 m3/s)，就可以將弧門提至全開泄流，此時洞內為全程明流，支洞岔管口在水面線以上。

在按上述調度方式進行水庫放空泄流時，隧洞下游明流段可能會產(chǎn)生一定的高速水流問題；當庫水位在4 296.0～4 278.0 m、控泄流量Q=160 m3/s時，試驗實測消力池前斜坡底板上出現(xiàn)了(-0.9～1.0)×9.81 kPa壓力分布區(qū)域，該處水流流速最大可達23 m/s，水流空化數(shù)最小為0.2，有發(fā)生空化空蝕的可能；建議對該工程空蝕潛在區(qū)采用抗空蝕材料進行施工，并嚴格控制過流面施工平整度。

6 結 語

在水利樞紐工程隧洞設計時，如采用一洞多用，在獲得一定經(jīng)濟效益時，隧洞運行的水力條件將更趨惡化和復雜。通過對某工程多用途水工隧洞進行系統(tǒng)的水力模型試驗及計算分析，得到如下基本認識：

(1) 多用途水工隧洞雖然面臨著不同運行階段顯著的水力差異性考驗，但通過合理設計，可將隧洞的不利水力條件控制在較小的運行范圍內，再結合閘門的適時調度，可以解決隧洞各運行階段的相關水力學問題，在保證隧洞安全運行的前提下，能夠體現(xiàn)出多用途水工隧洞較好的經(jīng)濟性。

(2) 當隧洞底坡為陡坡、隧洞出口無閘門控制時，試驗得到隧洞全程明流的判斷標準為隧洞進口前底板以上水深與洞徑之比H/D≤1.20；而隧洞發(fā)生明滿交替流的判斷標準，則與隧洞底坡、洞長、洞徑以及隧洞進口前水深等相關；本工程隧洞出現(xiàn)明滿交替流的流量區(qū)間為130～220 m3/s，其1.20

(3) 當隧洞內有分岔支洞時，在其分岔口樁號位置一定的前提下，支洞岔管口管底應盡量布置在H/D=1.20時的明流水面線以上位置，可以減少隧洞末端弧門控泄運行的流量區(qū)間。如本工程隧洞岔管口高程按上述原則抬高1.4 m布置，則在施工導流期和水庫放空運行時段，需要弧門控泄運行的最小流量從55 m3/s提高至130 m3/s，進而大大減少弧門調度工作量。

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