郝 鑫，楊超林，王均星，鄧竣文

(1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，昆明 650021；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

水利工程中隧洞進(jìn)水口多以水平進(jìn)水口為主，其具有布置簡(jiǎn)單、水流流態(tài)穩(wěn)定、便于施工及易于檢修等優(yōu)點(diǎn)。但在一些地形地質(zhì)條件較為特殊的情況下，如不良地質(zhì)條件下成洞困難，或隧洞上下游水位高差懸殊，水平進(jìn)水口接斜井的方式難以解決高水頭差的消能問(wèn)題，此類(lèi)情況下采用豎式進(jìn)水口常是更優(yōu)的解決方案。

水利工程中隧洞常見(jiàn)的豎式進(jìn)水口一般由環(huán)形溢流堰、豎井段、彎管段及退水隧洞段組成。此種形式在應(yīng)用中具有一定的局限性，其要求進(jìn)口水流在低水頭運(yùn)行的條件下保持為環(huán)形堰流狀態(tài)，且進(jìn)口隨庫(kù)水位變化呈現(xiàn)的水力工況復(fù)雜多變。若低水頭條件下采用有壓豎式進(jìn)水口，進(jìn)口處出現(xiàn)的立軸旋渦一直以來(lái)都是水力學(xué)研究中的難點(diǎn)，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究去消除[1,2]?，F(xiàn)階段主要還是采用模型試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，例如ODGAARD研究了自由表面吸氣旋渦，HITELS分析了旋渦流場(chǎng)的速度分布規(guī)律，唐洪、武田通過(guò)對(duì)旋渦流場(chǎng)的測(cè)量，分析了切向、徑向、軸向流速及旋渦形成條件，三者均采用模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文以車(chē)馬碧水庫(kù)泄洪放空隧洞進(jìn)水口的設(shè)計(jì)過(guò)程為例，對(duì)低水頭有壓豎式進(jìn)水口的結(jié)構(gòu)及消渦設(shè)施設(shè)計(jì)進(jìn)行多方案的對(duì)比與模型試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)各組方案的泄流能力、進(jìn)水口流態(tài)、沿程壓力分布、施工難度等方面的分析，最終得到既能有效控制進(jìn)水口立軸旋渦、流態(tài)穩(wěn)定、節(jié)省工程投資又便于施工的結(jié)構(gòu)布置方案。

1 工程概況

車(chē)馬碧水庫(kù)樞紐位于云南省曲靖市馬龍縣境內(nèi)，大壩壩址位于金沙江水系牛欄江上游支流馬龍河上，水庫(kù)總庫(kù)容為12 449 萬(wàn)m3，為Ⅱ等，大(2)型水庫(kù)，工程區(qū)地震設(shè)防烈度為8 度，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高52 m。水庫(kù)主要建筑物由大壩、溢洪道、泄洪放空隧洞、輸水隧洞組成。

水庫(kù)樞紐洪水標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇(P=1%)，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位1 938.8 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)2000年一遇(P=0.05%)，對(duì)應(yīng)校核洪水位1 951.2 m；正常蓄水位為1 938.5 m。

泄洪放空隧洞全長(zhǎng)約425 m，其中洞身長(zhǎng)253.3 m，為前段有壓后段無(wú)壓的隧洞，無(wú)壓段為圓拱直墻形斷面。隧洞2000年一遇洪水下泄流量為211.8 m3/s，100年一遇洪水下泄流量為204.8 m3/s。

圖1 樞紐總體布置圖Fig.1 General layout of the project

2 隧洞進(jìn)水口布置思路

泄洪放空隧洞布置在大壩左岸山體內(nèi)，沿線(xiàn)穿越一天然沖溝，沖溝部位隧洞最小埋深約12m。可行性研究階段設(shè)計(jì)過(guò)程中曾采用常規(guī)水平有壓進(jìn)口布置方案，如圖2所示。該方案將工作閘門(mén)豎井布置于沖溝下游側(cè)，導(dǎo)流隧洞與泄洪隧洞全段結(jié)合，可降低臨時(shí)工程投資。但該方案隧洞進(jìn)口有壓段長(zhǎng)達(dá)193 m，工程運(yùn)行后有壓洞段運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高，檢修困難[3]。根據(jù)可研評(píng)審意見(jiàn)：“初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)水工模型試驗(yàn)復(fù)核導(dǎo)流泄洪放空隧洞豎井位置，盡量減少有壓隧洞段長(zhǎng)度?！彼煊诔踉O(shè)階段設(shè)計(jì)中，充分利用隧洞中部天然沖溝地形條件，于沖溝內(nèi)布置豎式進(jìn)水口，有效解決了有壓洞段過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。

圖2 隧洞原水平有壓進(jìn)口方案Fig.2 Horizontal pressure inlet scheme of tunnel

車(chē)馬碧水庫(kù)泄洪隧洞具備放空功能，隧洞進(jìn)水口高程為水庫(kù)死水位1 915.3 m，校核工況下進(jìn)水口運(yùn)行水頭為25.9 m，進(jìn)水口周邊沖溝原始地面高程約為1 916 m，不滿(mǎn)足豎井式泄洪洞環(huán)形溢流堰的布置條件。針對(duì)本工程豎式進(jìn)水口低水頭運(yùn)行的特點(diǎn)，泄洪隧洞采用由豎式進(jìn)水口、彎管段、水平退水洞后接閘室的布置方案，選擇多種進(jìn)水口結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

3.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)弗汝德相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足水流運(yùn)動(dòng)相似和幾何相似。原型中因雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)都足夠大，黏滯力和表面張力對(duì)旋渦的影響可略去不計(jì)。但在模型中，受模型縮尺效應(yīng)的影響，黏滯力和表面張力對(duì)旋渦的作用相對(duì)較大。因此在模型設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使雷諾數(shù)Re和韋伯?dāng)?shù)We超過(guò)一定的臨界值，使黏滯力和表面張力對(duì)旋渦的影響處于次要的位置。AMPHLETT[4]提出，模型雷諾數(shù)Re>3×104時(shí)，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的模型可近似模擬原型中進(jìn)水口前旋渦；JAIN[5]提出模型韋伯?dāng)?shù)We>120時(shí)，表面張力可忽略不計(jì)。

據(jù)以上研究成果，設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檎龖B(tài)模型，設(shè)計(jì)幾何比尺為1∶30，其他比尺詳見(jiàn)表1。

表1 模型比尺表Tab.1 Model scale table

以進(jìn)水口方案1為代表方案，計(jì)算其試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠摫瘸邨l件及各水位工況條件下進(jìn)口處的雷諾數(shù)及韋伯?dāng)?shù)。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 方案1各水位工況進(jìn)口處雷諾數(shù)及韋伯?dāng)?shù)Tab.2 Paln 1 Reynolds number and Weber number at the inlet of each water level

由表2可見(jiàn)，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)比尺為1∶30的正態(tài)模型可以忽略黏滯力和表面張力對(duì)旋渦的影響，能夠正確模擬出原型中的立軸旋渦。

3.2 模型試驗(yàn)總體布置

本試驗(yàn)采用抽水泵循環(huán)供水系統(tǒng)，量水堰為直角三角堰。水工模型主要組成部分為水庫(kù)、豎向進(jìn)水口、閘門(mén)段、閘后段等。水庫(kù)用磚砌成，進(jìn)口段下部、閘門(mén)段和閘后段采用厚8 mm的透明有機(jī)玻璃制作。

模型根據(jù)試驗(yàn)河段地形圖模擬豎式進(jìn)水口周邊地形。依據(jù)水庫(kù)各特征水位，驗(yàn)證不同工況閘門(mén)全開(kāi)的情況下豎式進(jìn)水口的泄流能力并觀察進(jìn)水口運(yùn)行狀態(tài)。

試驗(yàn)對(duì)各方案豎式進(jìn)水口模型的沿程時(shí)均壓力進(jìn)行了測(cè)量，重點(diǎn)觀測(cè)進(jìn)水口轉(zhuǎn)彎段有無(wú)負(fù)壓存在，以此衡量進(jìn)水口過(guò)流邊界會(huì)否發(fā)生空化。各方案進(jìn)水口模型沿程均布置約10個(gè)測(cè)量斷面，每個(gè)測(cè)量斷面沿順?biāo)鞣较蚣按怪彼鞣较蚓鶆虿贾?個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.3 數(shù)據(jù)測(cè)量方法

試驗(yàn)過(guò)程中的流量需要根據(jù)不同的試驗(yàn)工況進(jìn)行控制，在大流量時(shí)(大于50 L/s)通過(guò)專(zhuān)業(yè)電磁流量計(jì)控制，小流量時(shí)(小于50 L/s)通過(guò)量水堰控制。

試驗(yàn)中采用鋼尺測(cè)量水深，其他測(cè)針測(cè)量水深的精度達(dá)到1 mm；采用測(cè)壓管量測(cè)模型內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)水壓力，其精度達(dá)到1 mm。

4 各進(jìn)水口結(jié)構(gòu)布置方案

4.1 方案1

進(jìn)水口為開(kāi)敞式直接與水庫(kù)連通。豎向喇叭口段高5 m，過(guò)水?dāng)嗝嬗?.7 m×11 m漸變?yōu)?.7 m×6 m。喇叭口下部豎直段長(zhǎng)3 m，與水平退水洞段采用圓弧連接，退水洞斷面為3.7 m×4.5 m(B×H)。閘門(mén)豎井內(nèi)設(shè)1道平板檢修閘門(mén)及1道弧形工作閘門(mén)，檢修閘門(mén)孔口尺寸為3.7 m×4.5 m(B×H)，弧形閘門(mén)孔口尺寸為3.7 m×3.7 m(B×H)。

方案1進(jìn)水口結(jié)構(gòu)布置及時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 方案1進(jìn)水口剖面圖(單位：m)Fig.3 Inlet profile of scheme 1

圖4 方案1進(jìn)水口時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Scheme 1 arrangement of average pressure measuring points at water inlet

4.2 方案2

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，方案1進(jìn)水口各工況下超泄情況均較為嚴(yán)重，且進(jìn)口處存在立軸旋渦?？紤]到進(jìn)口流速對(duì)旋渦的產(chǎn)生有一定的影響[6]，為降低進(jìn)口流速，將喇叭口頂部過(guò)水?dāng)嗝娉叽缭龃笾?8 m×13.2 m，底部過(guò)水?dāng)嗝娉叽缭龃笾? m×3.2 m。轉(zhuǎn)彎段體型由方案1的弧形轉(zhuǎn)彎調(diào)整為流線(xiàn)更優(yōu)的橢圓形轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎的同時(shí)壓縮過(guò)水?dāng)嗝娉叽?，末端過(guò)水?dāng)嗝娉叽鐬?.2 m×4.0 m(B×H)，后與退水洞段銜接。豎井工作閘門(mén)尺寸調(diào)整為3.2 m×3.2 m(B×H)。將優(yōu)化后的進(jìn)水口體型定義為方案1，結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖 5。

圖5 方案1′進(jìn)水口剖面圖(單位：m)Fig.5 Inlet profile of scheme 1′

通過(guò)壓縮工作閘門(mén)尺寸，方案1′運(yùn)行時(shí)超泄情況雖有明顯改善，但進(jìn)水口正上方仍存在一個(gè)貫通至進(jìn)水口內(nèi)部的立軸旋渦。結(jié)合其他工程消渦設(shè)施設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在方案1′進(jìn)水口體型的基礎(chǔ)上增設(shè)了消渦頂蓋及消渦導(dǎo)流墩[7,8]，頂蓋凈空高度為6 m。并在此基礎(chǔ)上選擇了3種不同的進(jìn)水方向進(jìn)行模型試驗(yàn)初探，分別為：垂直于隧洞軸線(xiàn)方向右側(cè)水平單向進(jìn)水、垂直于隧洞軸線(xiàn)方向兩側(cè)水平雙向進(jìn)水以及水平四向進(jìn)水。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在單向進(jìn)水及對(duì)向進(jìn)水時(shí)，進(jìn)水口水流流態(tài)差，依然有貫通至進(jìn)水口內(nèi)部的旋渦存在。四向進(jìn)水時(shí)，進(jìn)水口處旋渦消失。

因此，將方案1′進(jìn)水口體型增設(shè)消渦頂蓋且四向進(jìn)水的組合型式定義為方案2，并于消渦頂蓋周邊均勻布置六根斷面為橢圓形的混凝土消渦墩。方案2進(jìn)水口結(jié)構(gòu)尺寸、平面消渦墩布置及時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖 6、圖 7和圖8。

圖6 方案2進(jìn)水口剖面圖(單位：m)Fig.6 Inlet profile of scheme 2

圖7 方案2進(jìn)水口平面圖(單位：m)Fig.7 Water inlet plan of scheme 2

圖8 方案2豎式進(jìn)水口時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Scheme 2 arrangement of average pressure measuring points at water inlet

4.3 方案3

進(jìn)水口位置為天然沖溝，布置范圍較為狹窄，方案2進(jìn)水口體型較大，從優(yōu)化布置空間、提高結(jié)構(gòu)安全度及節(jié)省工程量等方面考慮，將其調(diào)整為方案3。

方案3豎向喇叭口為正方形斷面。豎向喇叭口段高3 m，過(guò)水?dāng)嗝嬗?1 m×11 m漸變?yōu)? m×5 m。轉(zhuǎn)彎段體型調(diào)整為圓弧轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎的同時(shí)壓縮過(guò)水?dāng)嗝娉叽?，末端過(guò)水?dāng)嗝娉叽鐬?.2 m×4.0 m(B×H)，后與退水洞段銜接。豎井工作閘門(mén)尺寸為3.2 m×3.2 m(B×H)。調(diào)整消渦頂蓋凈空高度為3 m，并于進(jìn)水口頂部每邊1/3處布置一個(gè)長(zhǎng)3 m、寬1 m的橢圓流線(xiàn)型消渦墩。

方案3豎式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)尺寸、平面消渦墩布置及時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖9、圖10和圖11。

圖9 方案3進(jìn)水口剖面圖(單位：m)Fig.9 Inlet profile of scheme 3

圖10 方案3進(jìn)水口平面圖(單位：m)Fig.10 Water inlet plan of scheme 3

圖11 方案3進(jìn)水口時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.11 Scheme 3 arrangement of average pressure measuring points at water inlet

5 各方案模型試驗(yàn)成果

5.1 泄流能力試驗(yàn)成果

以水庫(kù)校核洪水工況為代表工況，各方案進(jìn)水口泄流能力成果見(jiàn)表3。

表3 各方案進(jìn)水口泄流能力對(duì)比表Tab.3 Comparison of water inlet discharge capacity of each scheme

由表3可見(jiàn)，方案1進(jìn)水口在代表工況下運(yùn)行時(shí)超泄現(xiàn)象最為嚴(yán)重，通過(guò)調(diào)整豎井工作閘門(mén)尺寸，超泄問(wèn)題得到解決。

5.2 進(jìn)水口及閘室流態(tài)成果

5.2.1 方案1

方案1進(jìn)水口在各試驗(yàn)工況下運(yùn)行時(shí)，上部均存在立軸旋渦，旋渦實(shí)際直徑約為3 m，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并貫通到進(jìn)水口內(nèi)部。旋渦尺寸受各試驗(yàn)工況水位影響較小，但受來(lái)水流態(tài)的影響大，流態(tài)波動(dòng)時(shí)，旋渦尺寸會(huì)隨機(jī)性增大或者減小，最大時(shí)實(shí)際直徑約有6 m。

在進(jìn)水口上部立軸旋渦強(qiáng)大慣性力的作用下，偶有上部漂浮物被帶入閘室。受其影響，進(jìn)水口后段閘室出口處水流紊動(dòng)，偶有水流濺起拍擊弧形閘門(mén)支臂及下游無(wú)壓洞段頂壁，并伴有較大的聲響從豎井閘室段傳出。

5.2.2 方案2

方案2進(jìn)水口在各試驗(yàn)工況下上部均未產(chǎn)生旋渦，閘室出口處水流流態(tài)穩(wěn)定，閘后無(wú)水流濺起，無(wú)水流拍打弧形閘門(mén)支臂的現(xiàn)象存在。

5.2.3 方案3

方案3進(jìn)水口在各試驗(yàn)工況下閘門(mén)開(kāi)啟后短期內(nèi)上部水面均存在一明顯的凹陷，偶有旋渦形成但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)。無(wú)貫通到進(jìn)水口內(nèi)部的立軸旋渦存在，閘室出口處水流穩(wěn)定，閘后無(wú)水流濺起，無(wú)水流打到弧形閘門(mén)支臂的現(xiàn)象存在。

5.3 時(shí)均壓力成果

以水庫(kù)校核洪水工況為代表工況，匯總模型試驗(yàn)得到的各方案進(jìn)水口沿程測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓力數(shù)據(jù)，結(jié)果如下。

5.3.1 方案1

方案1進(jìn)水口各斷面時(shí)均壓力分布見(jiàn)圖12。

圖12 方案1進(jìn)水口各斷面時(shí)均壓力分布圖Fig.12 Scheme 1 distribution of pressure distribution at each section of water inlet

5.3.2 方案2

方案2豎式進(jìn)水口各斷面時(shí)均壓力分布見(jiàn)圖13。

圖13 方案2豎式進(jìn)水口各斷面時(shí)均壓力分布圖Fig.13 Scheme 2 distribution of pressure distribution at each section of water inlet

5.3.3 方案3

方案3進(jìn)水口各斷面時(shí)均壓力分布見(jiàn)圖14。

圖14 方案3進(jìn)水口各斷面時(shí)均壓力分布圖Fig.14 Scheme 3 distribution of pressure distribution at each section of water inlet

由以上結(jié)果可知，各方案在代表工況下運(yùn)行時(shí)進(jìn)水口沿程均無(wú)負(fù)壓。因1號(hào)測(cè)點(diǎn)與3號(hào)測(cè)點(diǎn)均為對(duì)稱(chēng)布置，因此各測(cè)量斷面二者時(shí)均壓力分布規(guī)律基本相同。各方案時(shí)均壓力最大值均出現(xiàn)在5號(hào)測(cè)量斷面2號(hào)測(cè)點(diǎn)位置。方案1和方案3中，4號(hào)測(cè)點(diǎn)沿程時(shí)均壓力最小值均出現(xiàn)在5號(hào)測(cè)量斷面處；方案2中該部位時(shí)均壓力值也為局部低峰值。

5.4 試驗(yàn)成果分析

方案1未設(shè)置消渦設(shè)施，進(jìn)水口上部立軸旋渦產(chǎn)生的強(qiáng)大慣性力可能將上部漂浮物帶入閘室，嚴(yán)重威脅隧洞泄洪時(shí)的運(yùn)行安全，受旋渦影響閘室部位流態(tài)紊亂。

方案2通過(guò)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的消渦設(shè)施有效解決了立軸旋渦問(wèn)題，進(jìn)水口沿程無(wú)負(fù)壓出現(xiàn)。但本方案進(jìn)水口體型過(guò)大，進(jìn)水口整體工程投資較高。消渦頂蓋中部無(wú)法設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，過(guò)大的消渦設(shè)施將給進(jìn)水口泄洪運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)水口底部轉(zhuǎn)彎段采用橢圓弧雖可優(yōu)化水流流線(xiàn)，但施工難度較大。

方案3在方案2消渦設(shè)施設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，從降低消渦頂蓋凈空高度及縮小進(jìn)水口整體尺寸兩個(gè)方面對(duì)其體型進(jìn)行優(yōu)化。方案3泄流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；進(jìn)水口沿程無(wú)負(fù)壓出現(xiàn)，運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生明滿(mǎn)流交替，避免因結(jié)構(gòu)局部負(fù)壓產(chǎn)生的氣蝕破壞；進(jìn)水口上部?jī)H有短期旋渦存在，泄流穩(wěn)定后旋渦隨即消失，閘室出口處水流流態(tài)較穩(wěn)定。

通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)各方案的優(yōu)化過(guò)程可見(jiàn)，環(huán)量是形成立軸旋渦的主要影響因素，水流環(huán)量受水流流速影響較大，流速越大越容易形成旋渦[9]。但僅通過(guò)優(yōu)化進(jìn)水口體型、降低進(jìn)口流速，無(wú)法達(dá)到消除進(jìn)水口的旋渦的目的，增設(shè)專(zhuān)門(mén)消渦設(shè)施的方法是行之有效的。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以車(chē)馬碧水庫(kù)泄洪放空隧洞豎式進(jìn)水口的設(shè)計(jì)過(guò)程為例，介紹了低水頭有壓豎式進(jìn)水口的體型及消渦設(shè)施的設(shè)計(jì)思路。

車(chē)馬碧泄洪放空隧洞進(jìn)水口最終選擇豎式進(jìn)水口為布置方案。通過(guò)建立合理的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)三組進(jìn)水口方案的泄流能力進(jìn)行了復(fù)核，分析了進(jìn)水口整體流態(tài)及沿程時(shí)均壓力的分布規(guī)律。最終確定方案3為最優(yōu)方案，其結(jié)構(gòu)形式可以在控制進(jìn)水口水流環(huán)量進(jìn)而避免旋渦形成的前提下，滿(mǎn)足泄流能力、進(jìn)水口流態(tài)、沿程壓力分布等多方面的設(shè)計(jì)要求；在結(jié)構(gòu)方面方案3既節(jié)省工程投資又提高了結(jié)構(gòu)可靠度，降低了隧洞泄洪時(shí)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

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