【摘 要】隧洞是常見的泄水建筑物，在水利工程中有著廣泛的應(yīng)用。以往對水工隧洞水力學(xué)特性的研究以及在工程中體型的選擇主要靠水工物理試驗來解決，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法來解決此類問題已具有較大的實用價值。文章以黃木水庫導(dǎo)流泄洪洞水力學(xué)模型試驗，對無壓泄洪洞內(nèi)彎道水流特性進(jìn)行了全面深入的研究，同時對存在的無壓隧洞彎道的高速水流問題提出工程解決方案。

【關(guān)鍵詞】水工隧洞；流態(tài)水流；方案

0.前言

水工隧洞，在山體中或地下開鑿的過水洞。水工隧洞可用于灌溉、發(fā)電、供水、泄水、輸水、施工導(dǎo)流和通航。隧洞是常見的水工泄水建筑物，由于隧洞工程工序多、技術(shù)復(fù)雜，且工作面有限，受圍巖影響施工困難，在水利工程中常為控制性工程。合理的洞線布置和洞身尺寸及襯砌計算對工程規(guī)模和投資及工期的影響很大，了解隧洞內(nèi)的流態(tài)隨流量的變化是隧洞設(shè)計的依據(jù)。文章結(jié)合黃木水庫導(dǎo)流泄洪洞水力學(xué)模型試驗，對無壓隧洞中存在的彎道高速水流問題，提出切合實際的工程解決方案，并通過模型試驗來驗證。

1.工程概況

黃木水庫位于蘭坪縣境內(nèi)，控制流域面積182.5km2，水庫工程任務(wù)是以解決金頂壩子農(nóng)村人畜飲水和農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧工業(yè)供水。壩址多年平均徑流量5860萬m3，樞紐采用均質(zhì)土壩和明流泄洪洞，正常蓄水位為711.60m，死水位為701.24m，則水庫調(diào)節(jié)庫容為598萬m3，水庫多年平均供水量為505萬m3，供水方式采用庫內(nèi)浮船泵站抽水。

導(dǎo)流泄洪洞布置在河道右岸，洞身全長492m，分別由進(jìn)口進(jìn)水塔段、洞身段、出口消能段組成。進(jìn)口底板高程為680m，斷面為圓拱直墻型，尺寸為4.50m×7.30m，直墻高度6.00m，拱高1.30m，半徑2.60m，洞身全長492m，底坡為1/100，樁號0+107.097m?～0+135.60m為彎道段，轉(zhuǎn)彎半徑為50m，轉(zhuǎn)角為32°39′，出口段采用挑流鼻坎消能。

水庫泄洪洞滿足現(xiàn)行設(shè)計手冊和規(guī)范“對于流速<20m/s的無壓隧洞，彎曲半徑≥5.00倍洞寬，轉(zhuǎn)角≤60°”的要求。但為確保工程的安全運行，對泄洪洞在不同工況下的水流流態(tài)、泄流能力、彎道水流等進(jìn)行了系統(tǒng)的模型試驗研究，對存在的彎道水流問題結(jié)合試驗給出工程解決方案。

2.流態(tài)、泄流能力及彎道水流

2.1庫水位與流量系數(shù)關(guān)系

泄洪洞試驗?zāi)Ｐ瓦x用幾何比尺為1：36，洞身段用無色有機玻璃制成。經(jīng)實測數(shù)據(jù)計算，閘門全開，庫水位低于685.15m時進(jìn)水口水流流態(tài)為堰流，堰流綜合流量系數(shù)（m=）為0.32～0.34；庫水位在688.93～720.46m時水流流態(tài)為有壓孔流，孔流系數(shù)（μ=）為0.56～0.864；庫水位在685.15～688.93m時為明流向孔流的過渡區(qū)，流量系數(shù)（半有壓流）介于兩者之間，和利用水力學(xué)公式計算的流量系數(shù)基本一致。庫水位為設(shè)計洪水位714.76m時，泄洪洞實測下泄流量Q=321.55m3/s，較原設(shè)計值Q=322.0m3/s小0.14%；庫水位為校核洪水位719.94m時，泄洪洞實測下泄流量Q=343.34m3/s，較原設(shè)計值Q=346.74m3/s小0.98%，說明試驗得到的泄洪洞泄流能力與原設(shè)計計算成果相同。

2.2彎道水流流態(tài)

由于泄洪洞在0+107.097m以后有28.50m的彎道段，水流受慣性及離心力的作用，內(nèi)彎處水位低、外彎處水位高，在彎道處產(chǎn)生水位差，且差值隨著庫水位的升高而增加，試驗實測彎道外側(cè)與內(nèi)側(cè)水深及水位差隨庫水位變化曲線見圖1。

圖1 模型實測水庫水位與彎道內(nèi)外側(cè)水深關(guān)系曲線圖

由圖1可知，當(dāng)下泄流量不超過277m3/s時，彎道外側(cè)水深在導(dǎo)流泄洪洞直墻高度6.00m以內(nèi)，該流量占隧洞最大下泄流量346.7m3/s的80%。當(dāng)流量超過277m3/s時，彎道外側(cè)水深將超過6.00m，水流翻越洞頂，并在下游直洞段產(chǎn)生嚴(yán)重的折沖水流。從試驗可看出，在高水位時彎道段流態(tài)差，采用抬高外側(cè)底板高程的方法，不會降低外側(cè)水面高度，反而會影響其過流流態(tài)、減少過水?dāng)嗝婷娣e。當(dāng)通過用閘門開度控制洞內(nèi)的下泄流量且流量不超過277m3/s時，洞內(nèi)和彎道段的流態(tài)都有明顯的改善。

2.3彎道段洞內(nèi)壁面的脈動壓強

深孔泄流隧洞在上下游水位差較大時，產(chǎn)生高速水流，發(fā)生壓強脈動、氣蝕、摻氣、波浪等問題，由于測壓管僅能測量水流的時均壓強，為了掌握彎道水流的脈動壓強，了解隧洞瞬時所受的脈動壓強及脈動頻率等參數(shù)，沿彎道水流的軌跡在折沖區(qū)域及底板、頂板布置了脈動壓強測點，采用壓力傳感器測量、DJ800型水工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。本次脈動壓強振幅按重力相似準(zhǔn)則引申至原型、頻率按斯特魯哈（Strouhal）移置。

通過試驗測量，閘門3.20m全開彎道不加斜導(dǎo)流坎彎道段脈動壓強在正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位等運行水位的最大脈動值為22.44kPa。閘門2.80m開度彎道不加斜導(dǎo)流坎運行水位最大脈動值為31.86kPa；閘門2.80m開度彎道加矩形斜導(dǎo)流坎的運行水位最大脈動值為142.59kPa；閘門2.80m開度彎道加梯形斜導(dǎo)流坎的運行水位最大脈動值為79.74kPa。故彎道段加矩形斜導(dǎo)流坎坎高0.25m方案的脈動壓強值最大，加梯形斜導(dǎo)流坎坎高0.25m方案的脈動值次之，不加斜導(dǎo)流坎脈動壓強值相對較小。從閘門開度2.80m、彎道正中不加斜導(dǎo)流坎設(shè)計水位時的自功率譜圖和測點波形圖可看出，脈動壓強的優(yōu)勢頻率量測數(shù)據(jù)均小于1Hz，說明彎道水流的脈動壓強屬于低頻。

3.改善洞內(nèi)流態(tài)的工程方案

導(dǎo)流泄洪洞彎道段設(shè)計雖然滿足規(guī)范要求，從模型試驗可看出，庫水位705.34m時，下泄流量為277m3/s，彎道外側(cè)水深達(dá)到6m。隨著庫水位的繼續(xù)升高，外側(cè)水面超過直墻到達(dá)洞頂，彎道內(nèi)外側(cè)最大的水面差值為6.25m，水流翻越洞頂，流態(tài)惡化。彎道下游直線段折沖水流明顯，且設(shè)計、校核水位下的洞內(nèi)摻氣水深均超過凈空要求值，凈空面積只有（12.89～12.93）%。為了解決已成隧洞存在的問題，根據(jù)工程實際擬定以下幾種解決方案。

3.1導(dǎo)流泄洪洞前壓后明方案

該方案于導(dǎo)流泄洪洞0+215.60處設(shè)豎井，豎井位置位于彎道后80m處，將洞身分為前后兩段，前段為壓力洞，后段為明流洞。優(yōu)點是僅在原洞線路上設(shè)豎井，對豎井前部分洞段進(jìn)行改造，使洞內(nèi)水流由原設(shè)計無壓流變?yōu)閴毫α鳡顟B(tài)，可徹底解決豎井前彎道段水流紊亂狀況。缺點是需在彎道后新建豎井，需拆除原洞身建工作弧門閘室，豎井工程量大。

3.2左岸泄洪放水洞與右岸導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合泄洪方案

根據(jù)模型試驗建議當(dāng)下泄流量不超過277m3/s時，彎道外側(cè)最大水深在導(dǎo)流泄洪洞直墻高度6.00m以內(nèi)，水流條件明顯改善，同時洞身斷面滿足凈空要求。該方案不改變水庫的特征水位和規(guī)模，保持原校核洪水位719.94m。導(dǎo)流泄洪洞開度2.80m，在左岸設(shè)置泄洪放水洞（壓力洞）洞徑D=3.50m時，兩洞聯(lián)合運行滿足原水庫設(shè)計的下泄量要求。該方案優(yōu)點是運用靈活，對大壩安全保障程度高，可以承擔(dān)宣泄部分洪水。同時，泄洪放水洞經(jīng)常參與泄洪，可以保證進(jìn)口的“門前清”，滿足供水管道的引水流量。缺點是費用高，泄洪放水洞施工工期較長。

3.3泄洪洞彎道改建方案

改建方案擬采用加大轉(zhuǎn)彎半徑方法，將彎道側(cè)向水深限制在洞身直墻高度以內(nèi)。當(dāng)R=120m時，洞內(nèi)水深基本滿足要求，但需拆除已成隧洞70m。

該方案優(yōu)點是能充分發(fā)揮導(dǎo)流洞的泄流能力，不需要增設(shè)新的建筑物，工程運用仍按原導(dǎo)流泄洪洞設(shè)計方案進(jìn)行，改造費用較低。缺點是需在洞內(nèi)拆除混凝土，拆除過程中可能對上下游已成洞身混凝土造成傷害，且施工難度大。

3.4導(dǎo)流泄洪洞壓閘控制下泄流量方案

根據(jù)模型試驗，當(dāng)導(dǎo)流泄洪洞下泄流量<277m3/s時，彎道段洞內(nèi)最大水深基本限制在洞身直墻段高度以內(nèi)，洞內(nèi)水流狀態(tài)明顯改善，同時洞身斷面滿足凈空要求。當(dāng)校核洪水過程時，泄洪洞開度2.80m，最高洪水位720.86m，最大下泄流量為266.70m3/s，滿足下泄流量<277m3/s的要求。

該方案雖然洞內(nèi)水流流態(tài)未得到徹底改善，但泄洪時洞內(nèi)未測到負(fù)壓，脈動壓力也不大，洞內(nèi)凈空滿足要求，汛期僅需壓閘限泄運行即可滿足要求，樞紐布置和運用仍維持原方案不變。缺點是校核水位略高于原方案，可通過適當(dāng)增加水庫防洪庫容達(dá)到減小下泄流量目的，但增設(shè)防浪墻可有效解決。

3.5方案的采用

由模型試驗可知，泄洪洞彎道段在流量超過277m3/s時流態(tài)惡化，水流在隧洞內(nèi)翻滾越過洞頂，并在彎道段后的直線段產(chǎn)生折沖水流。通過擬定的以上四種方案優(yōu)缺點分析，結(jié)合水工模型試驗，考慮工程實際、施工、經(jīng)濟等各方面因素，最后推薦采用經(jīng)濟合理的導(dǎo)流泄洪洞壓閘方案。

4.結(jié)語

黃木水庫已成導(dǎo)流泄洪洞滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，通過水工模型驗證，計算的隧洞泄流量和試驗值一致，但洞內(nèi)流態(tài)隨著水位升高惡化。為了改善洞內(nèi)流態(tài)，通過導(dǎo)流泄洪洞前壓后明、新建左岸泄洪放水洞、加大轉(zhuǎn)彎半徑改建彎道、泄洪洞壓閘控制下泄流量等設(shè)計方案的比較和試驗驗證，考慮工程實際、施工、經(jīng)費等各方面因素，最后推薦采用經(jīng)濟合理的導(dǎo)流泄洪洞壓閘方案，對存在的無壓隧洞彎道段的高速水流問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究并合理解決。

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