楊堅玲，韓曉維

（1·縉云縣水務(wù)投資有限公司，浙江 縉云 321400；2·浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310017；3·浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310017）

1 問題的提出

縉云分洪隧洞是縉云縣縣城排水防洪綜合治理工程的重要組成部分，隧洞工程由進口分洪控制閘、分洪隧洞和出口控制閘組成，主要功能為洪水分流，保障縉云城區(qū)防洪安全。隧洞為無壓分洪洞，20 a一遇洪水設(shè)計分洪流量為400 m3/s，進口段主洞襯砌后尺寸為12.0 m×12.5 m（寬×高），為III等工程。隧洞進口布置在順直河道左岸，為側(cè)向進流，其分水角約為31°，且無較大的調(diào)整空間，因此，其進流流態(tài)主要取決于兩側(cè)導墻的收縮角度。本工程原設(shè)計方案隧洞進口過渡段右側(cè)導墻的收縮角度為28°，超過Chow推薦的12.5°[1]，需要通過模型試驗進行論證優(yōu)化。

當隧洞進口過渡段劇烈收縮和突縮時，水面沿程變化較大，可能出現(xiàn)不良流態(tài)，如漩渦和局部邊界層分離等，通常會引起較大的水頭損失，甚至產(chǎn)生瓶頸效應，即（Choked water）現(xiàn)象，抑制過流能力[2]。隧洞進口過渡段內(nèi)水頭損失由沿程水頭損失和局部水頭損失組成，其中局部水頭損失通常占主導部分[3]，是判斷進口水流流態(tài)優(yōu)劣的一個重要變量指標。Kazemipour指出，當過渡段劇烈變化時，局部水頭損失甚至可占總水頭損失 90%以上[4]。進口水流流態(tài)越平順，水頭損失越小，由于局部水頭損失系數(shù)不僅與布置有關(guān)，還與水流條件如水面收縮角、弗勞德數(shù)和雷諾數(shù)等有關(guān)[5]，且存在很大變化范圍，因此重大工程隧洞進口過渡段局部水頭損失需要通過試驗確定[6]。

基于上述情況，為科學論證縉云分洪隧洞進口平面布置的合理性，采用1:50正態(tài)水工模型對隧洞進口過渡段水力特性進行分析。

2 模型設(shè)計

2.1 工程布置

縉云分洪隧洞進口位于好溪干流上，河道寬度B約為135.0 m，隧洞進口中心線與河道中心線夾角θ約為31°。側(cè)堰設(shè)3孔，單孔凈寬12.0 m，堰高P為1.0 m。側(cè)堰下游為過渡段，過渡段中心線長Lm，明渠段左側(cè)擋墻收縮角為θl，右側(cè)擋墻收縮角θr，擋墻長度分別為Ll和Lr，明渠段下游為控制閘，采用雙扉閘，閘室尺寸為12.0×10.3 m（凈寬×凈高），閘底板高程較側(cè)堰頂高程降低4P。工程平面、剖面布置見圖1和圖2。控制閘下游為分洪隧洞，斷面尺寸為12.0 m×12.5 m（凈寬×凈高），寬度與控制閘一致。主要對原方案及推薦方案的過渡段水力特性開展試驗研究，各方案過渡段特征參數(shù)見表1。

表1 各方案特征參數(shù)表

圖1 進口過渡段平面布置圖

圖2 進口過渡段剖面布置圖

2.2 模型比尺

根據(jù)研究目的，物理模型采用正態(tài)水工模型，按Fr數(shù)相似定律設(shè)計，分別滿足重力相似和阻力相似?？紤]模型流量、水深、流速以及阻力平方區(qū)等水力參數(shù)綜合因素，模型比尺為1:50，相關(guān)物理量比尺見表2。

表2 模型相似率表

2.3 模擬范圍及制作

物理模型采用自循環(huán)設(shè)計，模擬范圍包括地下水庫、進水前池、閥門、流量計、河道、分洪閘等，模型平面布置見圖3。通過控制不同上游來流及主河道下游尾門水位來模擬相關(guān)工況，隧洞段模擬緩坡1.2 km，隧洞出口為自由出流。

圖3 模型平面布置示意圖

模型中控制閘及隧洞采用有機玻璃加工制作，設(shè)置伸縮節(jié)；河道地形采用斷面板定位、水泥砂漿抹制。

2.4 研究工況

試驗在3組不同干流流量條件下進行恒定流試驗，試驗工況設(shè)置見表3。表中Q0為干流流量，V0、Fr0分別為隧洞進口上游河道斷面平均流速和弗勞德數(shù)，B為干流河道面寬。隧洞下游段為自由出流，因此進口過渡段內(nèi)水位流量均為模型自主控制。

表3 試驗工況表

3 試驗結(jié)果分析

3.1 過渡段流態(tài)

對不同工況下過渡段水流流態(tài)進行觀測，此時河道干流總體流向仍保持順直，但進口側(cè)堰附近流線存在一定轉(zhuǎn)彎，并在過渡段內(nèi)進行調(diào)整，進口附近河道水流流態(tài)見圖4。原方案過渡段右側(cè)收縮角達28°，受進流流向的影響，明渠段右岸邊墻水面存在一定的頂沖作用，水面壅高，并在控制閘室進口附近形成明顯的繞流流態(tài)，在閘室內(nèi)形成水面跌落，分洪流量大時跌落幅度相對較大，左側(cè)邊墻水流相對較為平順，原方案過渡段水流流態(tài)見圖5 a。推薦方案對過渡段導墻收縮角進行調(diào)整后，各工況進流流態(tài)較為平順，控制閘進口附近繞流流態(tài)改善較為明顯，過渡段水流流態(tài)見圖5 b。

圖4 隧洞分洪后河道進隧洞進口水流流態(tài)圖

圖5 過渡段水流流態(tài)圖（P=2%）

3.3 過渡段水面線

對P=2%、P=5%和P=10%三組工況下進口過渡段及控制閘的水面線進行觀測。由于側(cè)向進流左右兩側(cè)擋墻水面線存在一定差異，分別對原方案和推薦方案左右兩側(cè)擋墻水面線hx進行觀測，結(jié)果見圖6和圖7。2個方案中，過渡段左側(cè)擋墻水面線相對較為平順，在控制閘附近水面經(jīng)收縮后明顯降落，而右側(cè)擋墻受進流方向影響，在控制閘附近存在明顯的折沖及繞流，在閘室內(nèi)形成水面跌落，跌落幅度在0.4~0.9 m，分洪流量大時跌落幅度相對較大。

圖6 右岸沿程水面線分布圖

圖7 左岸沿程水面線沿程分布圖

過渡段水面線可直觀表征其體型布置的合理性，由于原方案和推薦方案在角度發(fā)生變化后，兩側(cè)導墻長度有一定的變化，為論證此類側(cè)向引水過渡段水面線特性，并對水面線進行歸一化處理。橫坐標取Lrx/（LrbLm-1），以閘后斷面-12.0 m位置水深為h0，縱坐標取hx/h0，各工況無量綱水面線分布見圖8。

圖8 無量綱水面線分布圖

原方案中，右側(cè)導墻水面線最低點hx/h0為0.91~0.99，左側(cè)導墻水面線在控制閘進口上游存在一定的頂托，在閘后呈單調(diào)下降。推薦方案右側(cè)導墻水面線最低點hx/h0為1.01~1.04，較原方案有明顯提高，左側(cè)水面線則與原方案基本一致。研究表明，原方案兩側(cè)收縮角分別為6°和28°時，進口過渡段內(nèi)水流存在較為明顯的折沖，導致在控制閘進口右側(cè)附近存在較為明顯的繞流，形成水面陡降，有較為明顯的阻水現(xiàn)象。推薦方案將兩側(cè)導墻分別修改為10°和12°，其收縮角滿足Chow提出的不超過 12.5°范圍[1]，其水面線有明顯改善，由于Chow的研究基礎(chǔ)以直線收縮為主，本工程為側(cè)向收縮進流，因此在過渡段左右側(cè)水面線仍存在一定的差異。

3.4 局部水頭損失

局部水頭損失是由于幾何邊界條件改變而引起的水流能量損失，是用來判斷水流是否平順的重要指標之一。隧洞進口過渡段的幾何形狀和水流邊界條件與局部水頭損失密切相關(guān)。

定義過渡段局部損失系數(shù)為水頭損失與隧洞內(nèi)樁號0+038 m斷面流速水頭的比值，水頭損失ΔHij及水頭損失系數(shù)ζij的計算公式分別為：

式中：vi為上游河道斷面平均流速（m/s）；vj為隧洞樁號0+038 m斷面平均流速（m/s）；ζij為i，j斷面之間的局部水頭損失系數(shù)；zi、zj分別為i，j斷面平均底高程（m）；yi、yj分別為i，j斷面平均水深（m），i，j斷面位置見圖9，分別為斷面0-0和斷面1-1，水頭損失匯總見表4。

圖9 局部水頭損失計算斷面示意圖

表4 局部水頭損失計算表

水面收縮的局部水頭損失系數(shù)，目前一般遠小于水面突擴的水頭損失系數(shù)[8]。對明渠收縮的研究主要集中在正向進流收縮時的水頭損失。Formica結(jié)合試驗，提出斷面突然收縮時的局部水頭損失系數(shù)為0.23[8]；Henderson認為矩形突縮斷面的局部水頭損失系數(shù)一般為0.23~0.35，而對于設(shè)倒角的收縮斷面，其局部水頭損失系數(shù)可取0.10~0.20[9]。Chow認為過渡段為扭曲面形式時局部水頭損失系數(shù)可取0.10~0.20，直線形取 0.30~0.50，突變?nèi)?0.75；Yaziji測得急流時直線和流線型收縮過渡段局部水頭損失系數(shù)為 0.20~0.42[10]；張志恒指出對于扭曲面過渡段，隧洞進口局部水頭損失系數(shù)不是常數(shù)，而是與水面收縮角有關(guān)[11]。

從本研究結(jié)果來看，不同水流邊界條件時，過渡段局部水頭損失系數(shù)為0.24~0.60，略大于正向進流時的損失系數(shù)。當推薦方案將兩側(cè)導墻收縮角進行優(yōu)化后，其局部水頭損失系數(shù)存在明顯減小。

4 結(jié)論及展望

縉云分洪隧洞工程為側(cè)向進流，其進口過渡段水力特性存在一定的特殊性，通過模型試驗研究，對進口過渡段兩側(cè)導墻收縮角度進行調(diào)整，改善了進口段水流流態(tài)及水面線分布，降低了局部水頭損失，保障了工程的分洪效益。

由于本研究基于特定工程開展試驗研究，內(nèi)容存在一定局限性，下階段可結(jié)合分流角度、寬度及不同F(xiàn)r數(shù)條件對此類隧洞過渡段水面線及水頭損失之間的定量關(guān)系作進一步研究。