陡坡隧洞不同進(jìn)口形式的水力特性分析

, 學(xué)海,

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 武漢 430010；2.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所， 武漢 430010)

1 問題的提出

某水電工程，為保證主導(dǎo)流隧洞出口長明渠干地施工，其右岸山溝支流需另設(shè)導(dǎo)流隧洞將支流來水導(dǎo)引至下游主河道。受地形影響，支流導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底高程350 m，出口底高程258 m，洞線長約1 200 m，進(jìn)出口落差達(dá)92 m，隧洞坡度達(dá)7.6%，設(shè)計(jì)流量為286 m3/s，隧洞進(jìn)口斷面采用5 m×6 m城門洞型，出口為自由出流，為典型的陡坡長洞。

對(duì)于陡坡隧洞，其水力問題較為復(fù)雜，洞內(nèi)流態(tài)可能會(huì)出現(xiàn)無壓流、半有壓流、明滿交替流和有壓流4種形態(tài)。其中，發(fā)生明滿交替流時(shí)，洞前往往存在吸氣漏斗漩渦，吸入洞內(nèi)的氣體會(huì)在洞內(nèi)頂部或中上部產(chǎn)生不穩(wěn)定氣囊，隨水流聚散、膨脹收縮、由上至下推移，洞內(nèi)水流狀態(tài)極不穩(wěn)定，洞內(nèi)水流流速、流量及壓力等將發(fā)生周期性變化，通常會(huì)對(duì)隧洞產(chǎn)生空化空蝕、振動(dòng)、沖擊破壞。在水工設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，一般不允許采用這種流態(tài)[1]。而明滿交替流的形成與進(jìn)水口形式有著密切的關(guān)系[2]，因此本文對(duì)陡坡隧洞銳緣進(jìn)口和曲線進(jìn)口2大類進(jìn)口形式下的泄流能力和洞內(nèi)水流流態(tài)等水力特性進(jìn)行分析比較和試驗(yàn)驗(yàn)證，以尋求滿足安全經(jīng)濟(jì)要求的合理形式。

2 不同進(jìn)口形式的水力特性分析

2.1 銳緣進(jìn)口的水力特性分析

參考有關(guān)文獻(xiàn)，為了避免不穩(wěn)定流態(tài)，導(dǎo)流隧洞可采用銳緣進(jìn)口，并使洞內(nèi)正常水深小于洞高[1]。導(dǎo)流隧洞進(jìn)口斷面為5 m×6 m城門洞形，底部高程為350 m，頂部高程為356 m。

當(dāng)進(jìn)口水深與洞高比小于1.2時(shí)為無壓流，對(duì)于陡坡隧洞，其無壓流泄流能力不受洞長影響，進(jìn)口水流為寬頂堰流，其泄流能力可按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Q為泄流量；m為流量系數(shù)，一般取0.32～0.36；H0為上游水頭，即上游水深(進(jìn)口底板以上的水深)與流速水頭之和；B為洞高。

當(dāng)進(jìn)口水深與洞高比超過1.2，對(duì)于銳緣進(jìn)口，水流類似于閘孔泄流，其泄流能力可按公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Q為泄流量；μ為流量系數(shù)，μ=ε；H0為上游水頭；d為洞高；ε為豎向收縮系數(shù)，與d/H0有關(guān)，查表求得。

與閘孔泄流相同，水流進(jìn)入銳緣進(jìn)口后產(chǎn)生收縮，其收縮水深可用公式(3)計(jì)算：

hc=εd。

(3)

式中hc為收縮水深。

另外，還可計(jì)算出隧洞的臨界水深和正常水深等，該工程采用銳緣進(jìn)口時(shí)的水力特性值見表1。

表1 該工程銳緣進(jìn)口隧洞水力特性值Table 1 Hydraulic properties of tunnel with sharp-edge inlet

由表1可知，該工程設(shè)計(jì)流量286 m3/s時(shí)上游水深為16.9 m，進(jìn)口收縮水深為3.78 m，收縮水深介于臨界水深7.05 m和正常水深2.50 m之間，產(chǎn)生陡坡降水曲線，水流通過進(jìn)口后水面下降，逐步趨近至正常水深。在設(shè)計(jì)流量下，流態(tài)為水流封閉進(jìn)口而洞內(nèi)為無壓流的半有壓流狀態(tài)，如圖1。

圖1 銳緣進(jìn)口陡坡隧洞半有壓流狀態(tài)示意圖Fig.1 Sketch of half pressure flow in steep slope tunnel with sharp-edge inlet

圖2 不同方法計(jì)算的該工程銳緣進(jìn)口泄流能力曲線比較Fig.2 Curves of discharge capacity of steep slope tunnel with sharp-edge inlet calculated by different formulas

在半有壓流情況下，隧洞泄流能力也可采用與公式(2)相同的半有壓流泄流能力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，區(qū)別在于流量系數(shù)和豎向收縮系數(shù)按閘孔泄流計(jì)算時(shí)是根據(jù)水深變化的變值，而按隧洞半有壓流計(jì)算時(shí)是根據(jù)隧洞進(jìn)口形式查表確定的定值。經(jīng)查表，流量系數(shù)和豎向收縮系數(shù)可分別取為0.625和0.725，由此得到設(shè)計(jì)工況下上游水深為17.4 m，2種方法計(jì)算的泄流能力比較見圖2，可見采用2種方法計(jì)算的泄流能力基本接近。

2.2 曲線進(jìn)口的水力特性分析

常規(guī)的曲線進(jìn)口與銳緣進(jìn)口在小流量無壓流狀態(tài)下泄流能力相同，當(dāng)流量達(dá)到半有壓流后，由于其進(jìn)口局部損失較小，隧洞泄流能力有所增加，有利降低圍堰高度。

(4)

對(duì)于該工程無壓流上限水深和有壓流下限水深分別按1.2倍和1.5倍洞高考慮，相應(yīng)上游水深分別為7.5 m和9 m，計(jì)算得到的相應(yīng)流量分別為146 m3/s和557 m3/s，可見在上游水深變幅很小的情況下，計(jì)算泄流量變幅很大，兩者之間泄流能力不易用公式計(jì)算，考慮采用差值計(jì)算。計(jì)算得到該工程采用曲線進(jìn)口時(shí)的水力特性值見表2。

表2 該工程曲線進(jìn)口隧洞水力特性值Table 2 Hydraulic properties of tunnel with curved inlet

由表2可見，設(shè)計(jì)流量286 m3/s時(shí)，上游水深為7.74 m，測(cè)壓管水頭為3.92 m，小于進(jìn)口洞高6 m，進(jìn)口承受負(fù)壓，易產(chǎn)生吸氣漩渦。

對(duì)于一般緩坡隧洞，從半有壓至全有壓流的過程中氣囊的位置會(huì)有移動(dòng)，但不會(huì)出現(xiàn)時(shí)而有壓時(shí)而無壓并伴隨氣囊的不穩(wěn)定狀態(tài)；對(duì)于陡坡隧洞，進(jìn)入隧洞的氣囊是不可能出現(xiàn)停留現(xiàn)象，進(jìn)口在一定的淹沒水深下隧洞的吸氣漩渦是導(dǎo)致隧洞內(nèi)產(chǎn)生明滿交替流的直接原因[3]。因此，該工程設(shè)計(jì)工況下流態(tài)處于明滿交替流狀態(tài)，如圖3。

圖3 曲線進(jìn)口陡坡隧洞不穩(wěn)定流狀態(tài)示意圖Fig.3 Sketch of free-surface-pressure flow in steep slope tunnel with curved inlet

當(dāng)流量逐漸增大超過有壓流下限泄流量后，由于上游水深較小、局部損失大，進(jìn)口承受負(fù)壓，洞內(nèi)流態(tài)仍處于不穩(wěn)定流。但隨著水深增加，進(jìn)口負(fù)壓逐漸減小，最終進(jìn)入穩(wěn)定的有壓流狀態(tài)。

2.3 進(jìn)口形式選擇

上述水力計(jì)算分析表明，雖然陡坡隧洞采用曲線進(jìn)口可以提高泄流能力，降低圍堰高程，但設(shè)計(jì)工況下，洞內(nèi)流態(tài)處于明滿交替流狀態(tài)，不利隧洞結(jié)構(gòu)安全；銳緣進(jìn)口的泄流能力較低，但洞內(nèi)流態(tài)好。考慮到該工程為山溝支流導(dǎo)流，其圍堰規(guī)模較小，經(jīng)綜合比較，認(rèn)為陡坡隧洞采用銳緣進(jìn)口更為合理。

3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證進(jìn)口形式對(duì)陡坡隧洞水力特性的影響，針對(duì)該工程開展了水工模型試驗(yàn)，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型比尺為85[4]。

3.1 泄流能力

試驗(yàn)分別研究了銳緣進(jìn)口和曲線進(jìn)口的隧洞泄流能力，并與采用本文方法計(jì)算的泄流能力進(jìn)行比較，見圖4。

圖4 本文方法計(jì)算的該工程陡坡隧洞泄流能力曲線與試驗(yàn)曲線的比較Fig.4 Curves of discharge capacity of steep slope tunnel with sharp-edge inlet and curved inlet in model test and calculated by the method in the present research

由圖4可見，本文所采用的泄流能力計(jì)算方法是基本合理的。對(duì)于無壓流情況和銳緣進(jìn)口半有壓流情況，堰流和閘孔泄流的流態(tài)明確，分別采用相應(yīng)的寬頂堰流和閘孔泄流計(jì)算公式進(jìn)行泄流能力的計(jì)算，因此泄流能力計(jì)算值和試驗(yàn)值比較接近。對(duì)于曲線進(jìn)口的明滿交替流情況，其流態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，水位變幅很小而流量變幅很大，由于隧洞坡度不同，工程布置不同，有壓流下限水深與洞高的比值也不同[5]，難以準(zhǔn)確計(jì)算有壓流下限水深，因此本文明滿交替流的泄流能力也較難得出與試驗(yàn)接近的成果。

3.2 洞內(nèi)流態(tài)

試驗(yàn)表明，對(duì)于銳緣進(jìn)口方案，當(dāng)流量小于186 m3/s時(shí)，進(jìn)口均未被淹沒，洞內(nèi)呈明流；當(dāng)流量大于186 m3/s、上游水位超過358.2 m時(shí)，上游水深超過8.2 m，進(jìn)口段形成閘孔出流形態(tài)，之后洞內(nèi)均為明流，其流態(tài)如圖1所示。

對(duì)于曲線進(jìn)口方案，當(dāng)流量小于243 m3/s時(shí)，進(jìn)口均未被淹沒，洞內(nèi)呈明流；當(dāng)流量大于243 m3/s、上游水位超過356.5 m時(shí)，上游水深超過6.5 m，進(jìn)口被淹沒，伴隨有串通吸氣漏斗漩渦產(chǎn)生，洞內(nèi)形成明滿交替流，其流態(tài)如圖2所示；在流量達(dá)539 m3/s時(shí)，洞內(nèi)流態(tài)仍為明滿交替流。

4 結(jié) 論

陡坡隧洞進(jìn)口采用銳緣和曲線形式時(shí)，進(jìn)口水深超過1.2倍洞高后泄流能力和洞內(nèi)流態(tài)明顯不同，存在泄流能力和洞內(nèi)流態(tài)的沖突，這主要是因?yàn)檫M(jìn)口形式對(duì)隧洞水力特性產(chǎn)生明顯的影響，隧洞進(jìn)口吸氣漩渦直接關(guān)系到洞內(nèi)流態(tài)。對(duì)于銳緣進(jìn)口形式，形成水流封閉進(jìn)口而洞內(nèi)為無壓流的半有壓流狀態(tài)，可采用閘孔泄流能力計(jì)算公式進(jìn)行泄流能力的計(jì)算，其泄流能力較低；對(duì)于曲線進(jìn)口形式，形成明滿流交替的不穩(wěn)定流狀態(tài)，可按導(dǎo)流隧洞泄流能力的通常方法進(jìn)行計(jì)算，其泄流能力較高。

因此，為保證隧洞安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)陡坡隧洞時(shí)宜采用銳緣進(jìn)口形式，盡量避免明滿交替流。

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