無壓輸水洞洞內(nèi)消能優(yōu)化研究

尹明玉 ，王 浩 ，魏恒文 ，李 強(qiáng)

（1．中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2．北京市水利水電技術(shù)中心，北京 100073）

0 引言

作為常見的輸水建筑物，無壓隧洞在水利工程中應(yīng)用廣泛。通常情況下的無壓隧洞洞內(nèi)水流的流速較小，無需消能，然而當(dāng)水頭較高時(shí)，洞內(nèi)的水流流速可能會很大，因此，需要設(shè)置消能工進(jìn)行消能。

許多已建工程都將消能工設(shè)置在無壓隧洞出口之后，使得高水頭下產(chǎn)生的高速水流對整個(gè)隧洞邊壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷，并且洞內(nèi)水流的水面產(chǎn)生較大的波動，從而提高了對隧洞護(hù)面襯砌材料的要求，造成工程造價(jià)的增加。同時(shí)，高速水流可能會導(dǎo)致明滿流交替等一系列不利的水流現(xiàn)象，影響工程的安全運(yùn)行。

若能在隧洞進(jìn)口處合理設(shè)置洞內(nèi)消能工，減小洞內(nèi)水流流速，就可有效改善隧洞結(jié)構(gòu)的受力狀況及消能效果，同時(shí)降低工程造價(jià)。由于洞內(nèi)消能工屬于隱蔽工程，一旦出現(xiàn)問題不易發(fā)現(xiàn)，同時(shí)由于消能工本身的復(fù)雜性，使得設(shè)置洞內(nèi)消能工在技術(shù)上的要求較高。本文依托西藏旁多水利樞紐灌溉輸水洞水力學(xué)模型試驗(yàn)，展開無壓輸水洞洞內(nèi)消能及消能工優(yōu)化研究，可為日后類似工程的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

旁多水利樞紐工程為拉薩河中段梯級開發(fā)之首，是西藏自治區(qū)“十一五”重點(diǎn)水利建設(shè)項(xiàng)目，是一座以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪和供水等綜合利用的大型水利樞紐工程。水庫死水位4 066.0 m，正常蓄水位4 095.0 m，總庫容1.23×109m3，電站裝機(jī)容量160 MW。

灌溉輸水洞設(shè)計(jì)引用流量10 m3/s，運(yùn)行水位區(qū)間為4 066.0～4 095.0 m，主要承擔(dān)為65 km外林周縣澎波灌區(qū)15 446.67 hm2農(nóng)田灌溉供水的任務(wù)。輸水洞采用豎井式有壓進(jìn)水口，無壓輸水段，其中，進(jìn)口底板高程4 061.6 m，進(jìn)口有壓洞長19.25 m，寬3.0 m，末端由4.0 m長的漸變段與高40.5 m的閘門豎井相連，平板事故鋼閘門，弧形工作鋼閘門。弧形工作閘門平直段后設(shè)矩形斷面下挖式消力池，以1∶4斜坡與進(jìn)口底板相連，采用底流消能工的布置型式，消力池長27.6 m，深2.6 m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。消力池出口由長10 m的漸變段與下游無壓隧洞相連，隧洞全長16.813 km，縱坡0.1%。

由于輸水洞設(shè)計(jì)引用流量較小（10 m3/s），水頭較高且變幅大（變化區(qū)間4.4～33.4 m），庫水位的變化對隧洞內(nèi)的水流流態(tài)影響很大。為防止庫水位的變化引起水流悶孔，對工程運(yùn)行造成不利影響，需要通過水力學(xué)模型試驗(yàn)來確定消能方式及消能工尺寸。

2 模型設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)遵循重力相似準(zhǔn)則，同時(shí)應(yīng)滿足水流紊動阻力相似。結(jié)合建筑物尺寸、試驗(yàn)場地規(guī)模、選用的試驗(yàn)材料及可能出現(xiàn)的比尺效應(yīng)，模型幾何比尺確定為1∶15。輸水洞模型布置見圖1。

除上游庫區(qū)地形及引水渠段采用水泥砂漿抹面外，模型其它各部分均采用有機(jī)玻璃制作，經(jīng)率定，能夠滿足相似要求。

3 消能工優(yōu)化

經(jīng)過多次的試驗(yàn)對比和觀察發(fā)現(xiàn)，庫水位4 095.0 m為工程正常運(yùn)行時(shí)影響消力池的最不利工況，因此，選擇此工況進(jìn)行消能工比選試驗(yàn)。

3.1 原方案試驗(yàn)

原方案消力池體型見圖2。

庫水位為4 095.0 m時(shí)，閘門出口平均流速約20.00 m/s，最大流速為24.60 m/s，水流在離開水平段進(jìn)入斜坡段時(shí)即產(chǎn)生射流，射流水平長度約7.0 m，可近似認(rèn)為入水點(diǎn)為水躍躍首，躍前水深約1.9 m，流速最大值約7.27 m/s；躍后水深約4.6 m，流速最大值從底至表分別為0.71，1.05，2.91 m/s；躍長約18.0 m。同時(shí)，由于水流的脈動作用，水躍伸縮范圍約1.0 m。

由于射流入水時(shí)對斜坡的沖擊較大，不利于工程安全，且斜坡水躍的躍首伸縮具有不穩(wěn)定性，為保證閘門運(yùn)行安全，改善入池水流的流態(tài)，以確保消力池在正常運(yùn)行時(shí)的安全，需要對其體型進(jìn)行修改。

3.2 修改方案試驗(yàn)

修改方案首先對消力池首部連接的擴(kuò)散斜坡段體型進(jìn)行修改，以消除射流狀態(tài)，改善躍首位置及消力池水流流態(tài)。經(jīng)過多種方案的對比試驗(yàn)研究，最終提出了一種比較經(jīng)濟(jì)合理的消能設(shè)施—反坡式臺階坎底流消能工。

修改方案布置如下：將消力池進(jìn)口底板向下游延長2.85 m，過渡段的1∶4斜坡兩端分別通過半徑15.0 m，圓心角為14°的圓弧與進(jìn)口底板和消力池底板相連，過渡段水平長14.1 m，消力池進(jìn)口底板高程4 061.6 m；消力池長21.05 m，深2.6 m，尾部改為反坡式臺階坎，第一臺階起點(diǎn)距消力池出口10.0 m，水平長度1.8m，頂高程4 059.8 m；第二臺階起點(diǎn)距消力池出口8.2 m，止于消力池出口斷面，起點(diǎn)頂高程4 060.8m，終點(diǎn)頂高程4 061.6 m（圖 3）。

同樣在庫水位4 095.0 m時(shí)，水流出閘門后，貼坡面進(jìn)入消力池，射流現(xiàn)象完全消除。水躍向下游推移，其中，躍首向下游推移約1 m，躍前水深約0.8 m，流速最大值為22.94 m/s；躍尾向下游推移約5.0 m，躍后水深約4.7 m，流速最大值自底至表分別為 2.30，2.01，1.92 m/s；躍長約 21.0 m。同時(shí)，水躍基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其前后1.0 m的伸縮現(xiàn)象基本消失，水流出消力池后與下游能夠平順連接，可以保證無壓洞的安全運(yùn)行。

4 結(jié)果分析

4.1 消力池體型

試驗(yàn)結(jié)果表明，下挖式消力池能較好地解決無壓輸水洞洞內(nèi)消能問題。

原方案之所以會在閘門出口的水平段末端產(chǎn)生射流，主要是輸水洞處于高水位、小開度的運(yùn)行狀況時(shí)，閘門出口水流流速較高，而水平段較短，且體型突變較大，引起水流脫離邊界。消力池中水躍躍前斷面平均流速超過16~18 m/s（平均值為21.04 m/s，最大值達(dá)到 22.94 m/s），池內(nèi)不宜設(shè)趾墩、消力墩等輔助消能工。同時(shí)，對體型的修改仍需考慮施工難易程度，以盡量簡單的體型解決問題。工程處于高海拔的西藏地區(qū)，施工及運(yùn)行后的維護(hù)工作更是具有相當(dāng)?shù)碾y度。經(jīng)過多種方案的對比試驗(yàn)，最終選用了修改后的體型，成功地解決了問題。

試驗(yàn)與計(jì)算表明，洞內(nèi)消力池的型式與一般底流消能的消力池相同，其消力池的池深與池長可按一般消力池進(jìn)行水力設(shè)計(jì)。

4.2 消能效率

消力池段消能效率計(jì)算采用水躍段消能效率計(jì)算公式：

式中：Ej為消力池段（水躍段）的消能量；E1，E2分別為躍前、躍后斷面的總能量；h1，h2分別為躍前、躍后斷面的水深；v1，v2分別為躍前、躍后斷面的平均流速。

經(jīng)計(jì)算，原方案消力池段消能效率很低為14.62%，主要因?yàn)樗鞯慕^大部分能量在射流沖擊斜坡入水時(shí)被消散，導(dǎo)致消力池未能得到充分利用。修改方案消能效率為77.66%，有效地利用了水躍消能。

4.3 涌浪高度

原方案無壓洞內(nèi)的最大涌浪高度為0.50 m，已經(jīng)超過直墻范圍，且偶爾會出現(xiàn)較大的沖擊波敲擊洞頂?shù)默F(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的主要原因是在水流的脈動作用下，水躍在消力池前后1.0 m的范圍伸縮，導(dǎo)致出消力池后可能產(chǎn)生較大的涌浪，涌浪過大則不利于無壓洞的運(yùn)行安全，SL279-2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“采用圓拱直墻形斷面時(shí)，水面線不宜超過直墻范圍”。

通過反坡式臺階坎的調(diào)節(jié)，最大涌浪高度減小0.25 m，未超出直墻范圍，且較大的沖擊波消失，滿足了安全運(yùn)行的要求。

5 結(jié)語

無壓隧洞洞內(nèi)消能，關(guān)鍵是在消能段消除來流的多余能量，保證洞內(nèi)不出現(xiàn)明滿流交替的現(xiàn)象。同時(shí)，由于高水頭的巨大能量在通過洞內(nèi)消能工時(shí)被消殺，僅部分動能傳至下游，對改善下游水流流態(tài)，保護(hù)下游環(huán)境，保障下游邊坡穩(wěn)定等方面均有積極作用。

洞內(nèi)消能工遭受高速水流作用的區(qū)域主要在閘門出口至消力池中水躍躍首的較小范圍，可采用可靠的結(jié)構(gòu)措施和精細(xì)的防護(hù)來解決高速水流帶來的問題。而在滿足消能防沖要求，確保工程安全的情況下，則應(yīng)盡量使消能工的體型簡化，以利施工及運(yùn)行后維護(hù)工作的進(jìn)行。

由于洞內(nèi)消能實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)尚較少，今后需結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行進(jìn)一步的理論和試驗(yàn)研究，并積極開展原型觀測，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論和方法，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

［1］金哲．無壓隧洞內(nèi)消能工湍流數(shù)值模擬研究［D］．烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

［2］路澤生，花立峰，徐自立．甘肅引洮供水工程洞內(nèi)消能問題的試驗(yàn)研究［J］．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2006，4（2）：37-40.

［3］邱秀云，侯杰，王錕．無壓隧洞洞內(nèi)消能試驗(yàn)研究［J］．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27（3）：62-65.

［3］SL155-95，水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京：中國水利水電出版社，1995.

［4］SL253-2000，溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國水利水電出版社，2003.

［5］SL279-2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國水利水電出版社，2003.

［6］吳持恭．水力學(xué)（第三版）［M］．北京：高等教育出版社，2003.

［7］武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室．水力計(jì)算手冊（第二版）［M］．北京：中國水利水電出版社，2006.

［8］趙秀鳳．南水北調(diào)西線一期工程阿安引水隧洞洞內(nèi)消能水工模型試驗(yàn)研究［J］．河南水利，2006（3）：33-34.