沿程不連續(xù)束縮式內(nèi)消能工在高流速無壓隧洞中的應(yīng)用

武英豪，王均星

（武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢430000）

0 概 述

高速水流容易造成泄洪建筑物的空蝕破壞［1］，消能設(shè)計(jì)時(shí)需要嚴(yán)格控制過流面不平整度，否則會(huì)導(dǎo)致泄洪建筑物破壞［2］。研究表明，把大面積遭受高速水流作用改變?yōu)榫植砍惺艿膬?nèi)消能方式，是高壩泄水消能的一條有效途徑［3］。目前的內(nèi)消能工（如洞塞式消能工、孔板消能工等）都應(yīng)用于有壓管道或有壓隧洞中，工程上還未出現(xiàn)將沿程不連續(xù)束縮式內(nèi)消能工應(yīng)用在無壓隧洞內(nèi)的先例［4，5］。

某水電站溢洪道主要由無壓隧洞段及明挖段組成。隧洞段洞身采用城門洞型結(jié)構(gòu)，凈斷面尺寸為15 m×18.53 m（寬×高）。隧洞段后接明挖段。明挖段采用坡度為3%的底坡，長度為697.84 m。明挖段出口采用挑流消能工，挑角為30°。溢洪洞引渠底板高程2 860 m，溢流堰堰頂高程2 873 m，溢流堰頂?shù)教艨部岔敻叨嚷洳钸_(dá)188 m，溢洪道剖面圖如圖1所示。初期校核工況下挑坎流速達(dá)到56.7 m/s，超出一般高速水流范疇，在工程上史無前例，消能形勢十分嚴(yán)峻。消能總?cè)蝿?wù)是將挑坎出口最大流速控制在50 m/s 以內(nèi)。本文模擬計(jì)算及模型實(shí)驗(yàn)均采用校核工況下水力學(xué)參數(shù)：校核洪水位2 896.42 m，校核下泄流量12 627 m3/s。

本文考慮在流速量級(jí)較小、增速較慢的無壓隧洞段（隧洞進(jìn)口流速為22 m/s）沿程布置內(nèi)消能工，通過設(shè)置消能墩束窄過水?dāng)嗝嬉韵麣⑺髂芰?，在保證流態(tài)相對(duì)平穩(wěn)的條件下完成消能任務(wù)，減小明挖段的消能壓力。

1 研究路線

本文主要通過計(jì)算流體力學(xué)軟件（CFD）模擬水流流態(tài)并計(jì)算水力學(xué)參數(shù)，選擇最佳消能墩體型。

階段①：通過Flow-3D 軟件［6］計(jì)算隧洞段及明挖段均無多余消能工情況下，溢洪道的流速分布。

階段②：本階段數(shù)值模擬分為兩個(gè)步驟。首先在隧洞段前端設(shè)置單排消能墩，對(duì)不同消能墩體型的消能效果及局部流態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，確定最優(yōu)消能墩體型。后續(xù)根據(jù)消能墩流態(tài)影響范圍，確定消能墩布置間距，在隧洞段等距布置最優(yōu)消能墩，進(jìn)行聯(lián)合消能數(shù)值模擬試驗(yàn)。

階段③：根據(jù)階段②確定的隧洞段消能墩體型及間距，建立比尺為1∶80的模型進(jìn)行物理模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證Flow-3D 軟件的計(jì)算結(jié)果。

階段④：針對(duì)原駝峰墩體型的問題，進(jìn)一步進(jìn)行體型優(yōu)化。

2 初期計(jì)算成果

建立初期溢洪道數(shù)字模型，通過Flow-3D軟件的計(jì)算，得出初始水力學(xué)參數(shù)如圖2所示。

以挑坎出口高程為位勢水頭基準(zhǔn)面，初期隧洞進(jìn)口最大流速為22 m/s，隧洞出口最大流速為27.4 m/s，挑坎出口處最大流速為56.7 m/s。

3 隧洞內(nèi)消能工比選

3.1 三角墩方案

3.1.1 三角墩體型設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證消能墩束窄過水?dāng)嗝嫦麣⑺髂芰康目尚行?，初步以三角墩為簡單束窄體型，驗(yàn)證消能墩的可行性，并確定最佳束窄度和收縮角，為之后體型優(yōu)化積累經(jīng)驗(yàn)［7］。

三角墩通過改變L、B控制斷面束窄度、收縮角，體型示意圖如圖3所示。坡比為B/L，斷面束窄度為2B/斷面寬度（15 m）。三角墩高度考慮洞頂安全富裕，設(shè)置與洞身同高，即14.2 m。三角墩設(shè)在距洞口100 m 處，左右對(duì)稱布置。共采用4 種計(jì)算方案，體型尺寸如表1所示。

表1 三角墩體型參數(shù)表Tab.1 Table of triangular piers shape parameters

3.1.2 三角墩體型計(jì)算結(jié)果

通過Flow-3D 軟件計(jì)算，可得4種體型下，三角墩附近水流流態(tài)如圖4所示。

方案①三角墩處水流流態(tài)波動(dòng)不明顯，墩后水面略有起伏，影響范圍較小，消能效果并不理想。提高一倍束窄度形成方案②，三角墩處水流明顯向中間躍起，水流波動(dòng)劇烈，對(duì)墩后水流的影響范圍加大。

為進(jìn)一步分析三角墩束窄幅度、收縮角對(duì)消能效果的影響，進(jìn)一步增大束窄度到20%，采用1∶5 坡比和2∶5 坡比形成方案③和方案④。

方案③相較于方案②，加大了三角墩高度并減小了傾角，三角墩處壅起水流高度降低，但影響墩后水流距離更遠(yuǎn)。

方案④增大傾角后，三角墩處邊壁水流壅起更高且向中心卷覆，躍起的集束水流與三角墩兩側(cè)收縮的水流匯集，沖擊墩后水流。水面起伏更加劇烈，且影響范圍進(jìn)一步增大。

4種三角墩方案對(duì)應(yīng)的隧洞出口最大流速及消能效果如表2所示。

4 種三角墩方案隧洞出口水面均無波動(dòng)，斷面流速分布左右對(duì)稱，說明消能墩紊動(dòng)影響范圍未至隧洞出口。

通過4 種三角墩方案可知，消能墩對(duì)過水?dāng)嗝娴氖仍酱?，消能效果越好，過墩水流紊動(dòng)越劇烈；束窄度相同時(shí)，消能墩自身的傾角越大，消能效果越好，但過墩水流壅起高度增加，過墩流態(tài)更加紊亂。

3.2 駝峰墩方案

三角墩體型過于簡單，過墩水流流態(tài)不佳。為了保證水流能夠更加平滑順暢過墩并減少墩后回流，選擇設(shè)計(jì)駝峰型消能墩作為優(yōu)化體型。

3.2.1 駝峰墩體型設(shè)計(jì)

駝峰墩體型設(shè)計(jì)依據(jù)是溢洪道中過流流態(tài)良好的駝峰堰，將其豎立布置成消能墩，達(dá)到束窄過流斷面消殺水流能量的效果。駝峰墩體型設(shè)計(jì)參照《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2018）的附錄A.1.5中a型駝峰堰的體型參數(shù)［8］。

根據(jù)駝峰堰設(shè)計(jì)規(guī)范，堰上水頭取為洞寬的一半，駝峰墩體型具體參數(shù)為Hd=7.5 m，P1=1.8 m，R1=2.5，P1=4.5 m，R2=6，P1=10.8 m，L=8，P1=14.4 m，斷面束窄度為2P1/15 m=24%，具體體型見圖5。駝峰墩高度考慮洞頂安全富裕，設(shè)置與洞身同高，即14.2 m。駝峰墩設(shè)在距洞口100 m處，左右對(duì)稱布置。

3.2.2 駝峰墩體型計(jì)算結(jié)果

通過Flow-3D 軟件計(jì)算，駝峰墩水體流態(tài)及過墩水流流態(tài)如圖6所示。

相較于最優(yōu)型式三角墩方案④的流態(tài)，駝峰墩邊壁壅起水流高度有所降低，但向中心卷覆的趨勢更加明顯。駝峰墩處卷覆水流在空中交匯，與主流一起沖擊墩后水流，墩后水流的起伏更加劇烈，對(duì)下游的水體的影響范圍進(jìn)一步增大。

隧洞出口斷面流速分布呈左右對(duì)稱分布，最大流速為25.4 m/s，較三角墩方案④減小了0.3 m/s，消殺4.8 m 水頭當(dāng)量，消能效果有所提高，水流過墩流態(tài)明顯改善。

3.3 隧洞內(nèi)消能工確定及優(yōu)化

在相同束窄程度的情況下，駝峰墩的消能效果優(yōu)于三角墩的消能效果。在達(dá)到相同消能效果的情況下，駝峰墩體型相較于三角墩方案，過墩水流壅高有所降低，躍起水量加大，且有效抑制墩后回流現(xiàn)象。

為保證過墩水流相對(duì)平穩(wěn)，參考三角墩體型的不同束窄度的計(jì)算結(jié)果，將駝峰墩過水?dāng)嗝媸?0%，即駝峰墩的寬度為0.75 m。重新優(yōu)化設(shè)置的駝峰墩的體型為P1=0.75 m，R1=1.875 m，R2=4.5 m，L=6 m。

為保證水流到達(dá)下一駝峰墩時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，根據(jù)單個(gè)駝峰墩墩后水流紊動(dòng)長度，設(shè)置各消能墩間距為90 m。從隧洞段首部開始，90 m 等距設(shè)置8組消能墩，最后預(yù)留約100 m 的距離使隧洞出口水流平穩(wěn)出流。具體布置如圖7所示。

4 聯(lián)合消能工數(shù)值計(jì)算

4.1 流 態(tài)

采用以流速著色的三維不透明水體展示消能墩局部流態(tài)，整體流態(tài)見圖8（a）。同時(shí)關(guān)注前三組消能墩范圍內(nèi)的水流流態(tài)，局部流態(tài)見圖8（b）。

將優(yōu)化駝峰墩體型等距布置后，過墩水流有約0.5～0.8 m（約為平均水深的5.4%～8.6%）的水面壅起，沒有出現(xiàn)兩側(cè)水流向中間壅起卷覆的不利流態(tài)。水流過墩后兩側(cè)水流沒有形成空腔，邊壁水流未從兩側(cè)回流。首組消能墩后存在兩股沿著駝峰墩頂部切線方向的射流，在第二組消能墩前發(fā)生匯集和重分布，而后水面更加平穩(wěn)。由此可知，90 m 的駝峰墩間距設(shè)置能夠使得水流經(jīng)過下組駝峰墩前恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，且空間利用效率較高。隧洞段沿程水面起伏不大，沒有水流集束沖擊或其他紊亂流態(tài)，流態(tài)十分良好。

4.2 流速分布

隧洞中剖面整體流速分布圖如圖9所示。

無壓隧洞內(nèi)流速最大值22 m/s 增長至25.9 m/s。在隧洞段中部最大流速達(dá)到峰值，而后一直保持到隧洞出口。隧洞段中部之后流速沿程無明顯增長，說明駝峰墩組達(dá)到預(yù)期消能效果，有效抑制隧洞段流速增長。隧洞出口斷面最大流速25.6 m/s，流速分布左右對(duì)稱，說明消能墩的紊動(dòng)影響沒有擴(kuò)散到隧洞出口，水流能夠平順出流進(jìn)入明挖段。

4.3 壓力分布

正壓和負(fù)壓采用以限定上下限的壓力值著色的三維流體分別單獨(dú)展示，正壓顯示范圍為0 至117.6 kPa（即12 m 水頭），負(fù)壓顯示范圍為88.2 kPa（即-9 m 水頭）至0。最不利的正壓及負(fù)壓范圍在隧洞段的前端，隧洞段前端正壓及負(fù)壓分布圖見圖10。

正壓最大值約為117.6 kPa（約12 m水頭），出現(xiàn)位置是駝峰墩前下方，即過水?dāng)嗝媸暗倪叡诘撞?。水流沿?%的底坡，直接沖擊駝峰墩的突出部位，造成墩前底部壓力最大。首組消能墩墩前底部沖擊壓力最大，水流紊動(dòng)重分布后，后續(xù)消能墩前的沖擊壓力逐漸減小。

最大負(fù)壓值約為-88.2 kPa（即-9 m水頭），主要出現(xiàn)在駝峰墩峰頂附近，其余位置壓力均為正壓。過水?dāng)嗝嬖诜屙斕幨湛s至最窄，此處水流流速最大，水流通過峰頂后形成射流，出現(xiàn)脫壁現(xiàn)象，故在峰頂產(chǎn)生不利負(fù)壓。

5 聯(lián)合消能工物理模型實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證Flow-3D 軟件計(jì)算的精確性，建立比尺為1∶80 的物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)糙率相似比尺，溢洪道模型整體采用有機(jī)玻璃制作，模擬范圍為上游水庫、引渠段、控制段、擴(kuò)散段、隧洞段、明挖段。隧洞段模型及駝峰墩模型如圖11所示。

5.1 流 態(tài)

通過物理模型實(shí)驗(yàn)，可得典型過墩流態(tài)（4 號(hào)駝峰墩）及過墩后流態(tài)如圖12所示。

駝峰墩對(duì)水流束窄作用明顯，貼壁水流從墩前開始逐漸壅高，駝峰墩峰頂斷面貼壁水流壅至最高，形成薄水翅落向下游。水翅最高處接近邊墻頂部，墩后水流流態(tài)變化微弱，整體過墩流態(tài)較為平順。

5.2 流速分布

選取隧洞段進(jìn)口、各駝峰墩峰頂、隧洞段出口最為測量斷面，測得流速數(shù)據(jù)如表3所示，分析整理表3中的流速數(shù)據(jù)如圖13所示。

表3 物理模型實(shí)驗(yàn)流速數(shù)據(jù)表Tab.3 Flow velocity data sheet for physical model experiments

隧洞段最大流速逐漸增大，在6號(hào)駝峰墩峰頂達(dá)到峰值，為27.61 m/s（Flow-3D 模擬結(jié)果為25.9 m/s），之后逐漸減小，至隧洞出口最大流速為23.73 m/s。各組峰頂斷面平均流速均維持在同一水平，流速沿程控制較為均勻。水流勢能經(jīng)各墩組沿程均勻耗散，沒有轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，隧洞段進(jìn)口流速與出口流速基本一致。

5.3 壓力分布

通過物理模型對(duì)隧洞段水流壓力的測量，發(fā)現(xiàn)最大正壓力發(fā)生位置是駝峰墩前下方，最大負(fù)壓力位置是駝峰墩峰頂位置，與Flow-3D 計(jì)算結(jié)果保持一致。各駝峰墩處最大正壓及最大負(fù)壓測量數(shù)據(jù)如表4所示，分析整理表4中的壓力數(shù)據(jù)如圖14所示。

表4 各駝峰墩組最大壓力表Tab.4 Maximum pressure gauge for each hump piers

最大正壓位置出現(xiàn)在5號(hào)駝峰墩組，為15.84 m 水頭（Flow-3D 模擬結(jié)果為12 m 水頭）；最大負(fù)壓位于1 號(hào)駝峰墩組，為-10.08水頭（Flow-3D模擬結(jié)果為-9 m水頭）。

5.4 空蝕空化分析

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2018），本試驗(yàn)采用水工中常用的計(jì)算公式（1）計(jì)算各個(gè)駝峰墩組最不利的水流空化數(shù)。

式中：σ為水流空化數(shù)；h0為來流參考斷面時(shí)均壓力水頭，m，采用章節(jié)6.3壓力分布中各駝峰墩組最大負(fù)壓；ha為建筑物所在地區(qū)的大氣壓力水柱，m，取ha＝10.33 m；hv為水的汽化壓力水柱，m，根據(jù)平均氣溫7.7 ℃，取hv=0.11 m；v0為來流參考斷面平均流速，m/s，采用章節(jié)6.2 流速分布中的各駝峰墩中斷面平均流速。各駝峰墩組最不利空化數(shù)如表5所示。

表5 各駝峰墩組最不利空化數(shù)Tab.5 The most unfavorable cavitation number of each hump pier group

各駝峰墩組最不利空化數(shù)均小于0.3，存在發(fā)生空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

5.5 消能效果分析

認(rèn)為總水頭在漸變段斷面為某一常數(shù)，建立能量方程如下式：

即可得式（3）：

取α1=α2=1，則可得式（4）：

隧洞段進(jìn)口和隧洞段出口的水力學(xué)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 隧洞段進(jìn)口和出口的水力學(xué)數(shù)據(jù)表Tab.6 Hydraulics data sheet for inlet and outlet of tunnel section

計(jì)算得ΔE=19.28 m 水頭，即隧洞段消殺19.28 m 水頭能量。隧洞入口與出口水深、流速基本一致，滿足預(yù)期消能效果。

6 駝峰墩體型優(yōu)化

針對(duì)原體型駝峰墩中出現(xiàn)的過墩水翅、駝峰墩峰頂不利負(fù)壓等問題，對(duì)駝峰墩體型貼合水流流線進(jìn)行優(yōu)化，如圖15所示。保持L=6 m，束窄度為10%。

根據(jù)章節(jié)5.4 空蝕空化分析可知，最易發(fā)生空蝕破壞的位置是1 號(hào)駝峰墩組。優(yōu)化駝峰墩體型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

1號(hào)駝峰墩組最大負(fù)壓減小為-65.66 kPa，均勻分布在消能墩頂部斷面上，且過墩水流流態(tài)平順，有效抑制過墩水翅。結(jié)合墩中斷面平均流速，計(jì)算空化數(shù)為0.34。當(dāng)1.7＞σ＞0.3 時(shí)，嚴(yán)格控制消能墩附近不平整度，即可避免空蝕空化破壞［1］。

7 結(jié) 論

（1）初期三角墩實(shí)驗(yàn)方案表明，消能墩對(duì)過流斷面的束窄度和消能墩自身的傾角是影響消能墩消能效果和過墩水流流態(tài)的關(guān)鍵因素。束窄度相同的情況下，消能墩傾角越大，消能效果越好，但過墩水流紊動(dòng)及邊壁水流壅高也會(huì)加?。幌芏諆A角相同的情況下，過流斷面束窄度越大，消能效果越好，但水流紊動(dòng)也會(huì)加劇。

（2）駝峰墩實(shí)驗(yàn)方案表明，在合理選擇消能墩體型、束窄度以及布置間距的情況下，高流速無壓隧洞內(nèi)沿程布置束縮式消能工能夠在保證洞內(nèi)流態(tài)相對(duì)平穩(wěn)的條件下完成消能任務(wù)。

（3）本文提出的駝峰墩方案消能效果良好，但還存在諸多問題，比如過墩水翅、駝峰墩峰頂不利負(fù)壓，需要進(jìn)行貼合水流流線進(jìn)行體型優(yōu)化才能應(yīng)用于工程實(shí)踐中。貼合水流流線優(yōu)化后的駝峰型消能墩的空蝕空化及水翅問題可得到有效改善。