對(duì)水利工程隧洞流態(tài)問(wèn)題探討

【摘 要】隧洞是常見(jiàn)的泄水建筑物，在水利工程中有著廣泛的應(yīng)用。以往對(duì)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(yàn)來(lái)解決，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法來(lái)解決此類問(wèn)題已具有較大的實(shí)用價(jià)值。文章以黃木水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞水力學(xué)模型試驗(yàn)，對(duì)無(wú)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(shí)對(duì)存在的無(wú)壓隧洞彎道的高速水流問(wèn)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(kāi)鑿的過(guò)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(jiàn)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?chē)鷰r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(jì)算對(duì)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(jì)的依據(jù)。文章結(jié)合黃木水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞水力學(xué)模型試驗(yàn)，對(duì)無(wú)壓隧洞中存在的彎道高速水流問(wèn)題，提出切合實(shí)際的工程解決方案，并通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

1.工程概況

黃木水庫(kù)位于蘭坪縣境內(nèi)，控制流域面積182.5km2，水庫(kù)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(wàn)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(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容為598萬(wàn)m3，水庫(kù)多年平均供水量為505萬(wàn)m3，供水方式采用庫(kù)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(zhǎng)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(zhǎng)492m，底坡為1/100，樁號(hào)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(kù)泄洪洞滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范“對(duì)于流速<20m/s的無(wú)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(yùn)行，對(duì)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(yàn)研究，對(duì)存在的彎道水流問(wèn)題結(jié)合試驗(yàn)給出工程解決方案。

2.流態(tài)、泄流能力及彎道水流

2.1庫(kù)水位與流量系數(shù)關(guān)系

泄洪洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用幾何比尺為1：36，洞身段用無(wú)色有機(jī)玻璃制成。經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，閘門(mén)全開(kāi)，庫(kù)水位低于685.15m時(shí)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(kù)水位在688.93～720.46m時(shí)水流流態(tài)為有壓孔流，孔流系數(shù)（μ=）為0.56～0.864；庫(kù)水位在685.15～688.93m時(shí)為明流向孔流的過(guò)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(jì)算的流量系數(shù)基本一致。庫(kù)水位為設(shè)計(jì)洪水位714.76m時(shí)，泄洪洞實(shí)測(cè)下泄流量Q=321.55m3/s，較原設(shè)計(jì)值Q=322.0m3/s小0.14%；庫(kù)水位為校核洪水位719.94m時(shí)，泄洪洞實(shí)測(cè)下泄流量Q=343.34m3/s，較原設(shè)計(jì)值Q=346.74m3/s小0.98%，說(shuō)明試驗(yàn)得到的泄洪洞泄流能力與原設(shè)計(jì)計(jì)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(kù)水位的升高而增加，試驗(yàn)實(shí)測(cè)彎道外側(cè)與內(nèi)側(cè)水深及水位差隨庫(kù)水位變化曲線見(jiàn)圖1。

圖1 模型實(shí)測(cè)水庫(kù)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(guò)277m3/s時(shí)，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(guò)277m3/s時(shí)，彎道外側(cè)水深將超過(guò)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(yàn)可看出，在高水位時(shí)彎道段流態(tài)差，采用抬高外側(cè)底板高程的方法，不會(huì)降低外側(cè)水面高度，反而會(huì)影響其過(guò)流流態(tài)、減少過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。當(dāng)通過(guò)用閘門(mén)開(kāi)度控制洞內(nèi)的下泄流量且流量不超過(guò)277m3/s時(shí)，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(dòng)壓強(qiáng)

深孔泄流隧洞在上下游水位差較大時(shí)，產(chǎn)生高速水流，發(fā)生壓強(qiáng)脈動(dòng)、氣蝕、摻氣、波浪等問(wèn)題，由于測(cè)壓管僅能測(cè)量水流的時(shí)均壓強(qiáng)，為了掌握彎道水流的脈動(dòng)壓強(qiáng)，了解隧洞瞬時(shí)所受的脈動(dòng)壓強(qiáng)及脈動(dòng)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(dòng)壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)，采用壓力傳感器測(cè)量、DJ800型水工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。本次脈動(dòng)壓強(qiáng)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(guò)試驗(yàn)測(cè)量，閘門(mén)3.20m全開(kāi)彎道不加斜導(dǎo)流坎彎道段脈動(dòng)壓強(qiáng)在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位等運(yùn)行水位的最大脈動(dòng)值為22.44kPa。閘門(mén)2.80m開(kāi)度彎道不加斜導(dǎo)流坎運(yùn)行水位最大脈動(dòng)值為31.86kPa；閘門(mén)2.80m開(kāi)度彎道加矩形斜導(dǎo)流坎的運(yùn)行水位最大脈動(dòng)值為142.59kPa；閘門(mén)2.80m開(kāi)度彎道加梯形斜導(dǎo)流坎的運(yùn)行水位最大脈動(dòng)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(dòng)壓強(qiáng)值最大，加梯形斜導(dǎo)流坎坎高0.25m方案的脈動(dòng)值次之，不加斜導(dǎo)流坎脈動(dòng)壓強(qiáng)值相對(duì)較小。從閘門(mén)開(kāi)度2.80m、彎道正中不加斜導(dǎo)流坎設(shè)計(jì)水位時(shí)的自功率譜圖和測(cè)點(diǎn)波形圖可看出，脈動(dòng)壓強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)頻率量測(cè)數(shù)據(jù)均小于1Hz，說(shuō)明彎道水流的脈動(dòng)壓強(qiáng)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(jì)雖然滿足規(guī)范要求，從模型試驗(yàn)可看出，庫(kù)水位705.34m時(shí)，下泄流量為277m3/s，彎道外側(cè)水深達(dá)到6m。隨著庫(kù)水位的繼續(xù)升高，外側(cè)水面超過(guò)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(jì)、校核水位下的洞內(nèi)摻氣水深均超過(guò)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(wèn)題，根據(jù)工程實(shí)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(diǎn)是僅在原洞線路上設(shè)豎井，對(duì)豎井前部分洞段進(jìn)行改造，使洞內(nèi)水流由原設(shè)計(jì)無(wú)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(diǎn)是需在彎道后新建豎井，需拆除原洞身建工作弧門(mén)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(yàn)建議當(dāng)下泄流量不超過(guò)277m3/s時(shí)，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(shí)洞身斷面滿足凈空要求。該方案不改變水庫(kù)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(kāi)度2.80m，在左岸設(shè)置泄洪放水洞（壓力洞）洞徑D=3.50m時(shí)，兩洞聯(lián)合運(yùn)行滿足原水庫(kù)設(shè)計(jì)的下泄量要求。該方案優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)用靈活，對(duì)大壩安全保障程度高，可以承擔(dān)宣泄部分洪水。同時(shí)，泄洪放水洞經(jīng)常參與泄洪，可以保證進(jìn)口的“門(mén)前清”，滿足供水管道的引水流量。缺點(diǎn)是費(fèi)用高，泄洪放水洞施工工期較長(zhǎng)。

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(shí)，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(diǎn)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(yùn)用仍按原導(dǎo)流泄洪洞設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，改造費(fèi)用較低。缺點(diǎn)是需在洞內(nèi)拆除混凝土，拆除過(guò)程中可能對(duì)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(yàn)，當(dāng)導(dǎo)流泄洪洞下泄流量<277m3/s時(shí)，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(shí)洞身斷面滿足凈空要求。當(dāng)校核洪水過(guò)程時(shí)，泄洪洞開(kāi)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(shí)洞內(nèi)未測(cè)到負(fù)壓，脈動(dòng)壓力也不大，洞內(nèi)凈空滿足要求，汛期僅需壓閘限泄運(yùn)行即可滿足要求，樞紐布置和運(yùn)用仍維持原方案不變。缺點(diǎn)是校核水位略高于原方案，可通過(guò)適當(dāng)增加水庫(kù)防洪庫(kù)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(yàn)可知，泄洪洞彎道段在流量超過(guò)277m3/s時(shí)流態(tài)惡化，水流在隧洞內(nèi)翻滾越過(guò)洞頂，并在彎道段后的直線段產(chǎn)生折沖水流。通過(guò)擬定的以上四種方案優(yōu)缺點(diǎn)分析，結(jié)合水工模型試驗(yàn)，考慮工程實(shí)際、施工、經(jīng)濟(jì)等各方面因素，最后推薦采用經(jīng)濟(jì)合理的導(dǎo)流泄洪洞壓閘方案。

4.結(jié)語(yǔ)

黃木水庫(kù)已成導(dǎo)流泄洪洞滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，通過(guò)水工模型驗(yàn)證，計(jì)算的隧洞泄流量和試驗(yàn)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(guò)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(jì)方案的比較和試驗(yàn)驗(yàn)證，考慮工程實(shí)際、施工、經(jīng)費(fèi)等各方面因素，最后推薦采用經(jīng)濟(jì)合理的導(dǎo)流泄洪洞壓閘方案，對(duì)存在的無(wú)壓隧洞彎道段的高速水流問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究并合理解決。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張宗孝.龍?zhí)端畮?kù)泄洪洞水工模型試驗(yàn)[R].西安理工大學(xué)，2011.

[2]李煒.水力計(jì)算手冊(cè)（第二版）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.