多用途水工隧洞水力特性及运行方式研究

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(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010；2.武汉大学 水利水电学院，武汉 430072)

1 研究背景

水工隧洞是水利水电工程中常用的过流建筑物。由于水工隧洞自身的特点，在隧洞布置及设计时，除了地形和地质条件制约外，还涉及到许多水力学问题，主要包括隧洞运行时的水流流态、泄流能力、洞内压力特性以及洞下游的水流衔接等[1]。

按水工隧洞的作用，可分为泄洪洞、导流洞、放空洞以及发电引水洞等，各类隧洞都有各自的水流适用条件。一般深式进水口泄洪隧洞，其承受的水头较高、流速较大，如果体形设计不当或施工存在缺陷，可能会引起高速水流空化空蚀，隧洞出口单宽流量大、能量集中，会造成下游河道的严重冲刷；导流隧洞作为施工期临时过水建筑物，其运行特点是工作水头相对较小、流量变化区间大，如果导流洞是陡坡长隧洞，局部洞段内还会出现时而有压、时而无压的明满流过渡流态，继而引发洞壁的振动或者空蚀破坏[1-2]；放空洞承担大坝检修及人防时放空水库的作用，其工作时的库水位要承接泄洪孔洞的下限工作水位，直至放空水库，放空洞工作水头变幅大，洞内各水流要素也变化显著；发电引水隧洞工作水头较高，一般要求水头损失小，其洞内流速和水流紊动强度有一定限制要求。如果泄洪洞、导流洞以及放空洞等由于技术经济原因而合一布置时，隧洞将面临着不同运行阶段显著的水力差异性考验；相应地，工程设计难度会增大，隧洞的运行管理也更加复杂。

本文结合某多用途长隧洞水工模型试验研究[3]，分析探讨了该类型水工隧洞在不同运行条件下的相关水力特性及运行管理对策。

2 隧洞布置及相关水力要求

该枢纽工程的任务是灌溉、生态建设、兼顾发电和防洪。枢纽建筑物由心墙土石坝、泄洪隧洞、非常溢洪道、引水隧洞水电站等组成。枢纽水库总库容3.95亿m3，大坝为沥青心墙土石坝，最大坝高68.5 m，左岸设开敞式溢洪道，右岸设导流、泄洪、放空冲沙及发电引水共用的一条隧洞。根据调洪计算，水库的正常蓄水位为4 298.0 m，防洪限制水位为4 296.0 m，洪水期考虑泄洪洞与溢洪道联合泄流，设计洪水位4 298.98 m时，流量为350.0 m3/s，校核洪水位4 304.91 m时，流量为462.0 m3/s。

图1 隧洞纵剖面布置

在考虑施工期导流及运行期泄洪、冲沙、发电各方面影响因素后，拟定该隧洞一次建成。隧洞进口高程为4 265.0 m，出口高程4 255.0 m，纵向采用一坡到底布置方案，底坡i=0.017 7。隧洞出口下游设置消力池；进口采用塔式进水口，以1/4椭圆形成喇叭型进口。隧洞横断面为圆形，洞径5.4 m，长576.3 m，控制段设在隧洞出口处，孔口尺寸为5.4 m×3.85 m(宽×高)，工作闸门为弧形门。在距离泄洪隧洞进口396.0 m的主洞左侧腰部另开一支洞作为引水发电洞，洞径2.0 m，长150.7 m。隧洞纵剖面布置如图1所示。

表1 模型隧洞进口水流雷诺数和韦伯数计算

该隧洞在承担不同用途时的相关水力要求如下[3]：

当作为导流隧洞运行时，针对上游围堰高程及坝体施工进度安排，对导流隧洞的泄流能力提出了分阶段控制标准，即上游水位4 276.5 m时，隧洞应能下泄流量243 m3/s，上游水位4 280.0 m时，隧洞要求下泄流量270 m3/s。同时，隧洞导流期间还应避免出现明满交替过渡流等不利流态，以免引发洞壁的水力振动及空蚀破坏。

当作为泄洪隧洞运行时，隧洞的泄流能力应满足设计洪水位泄流350.0 m3/s、校核洪水位泄流462.0 m3/s的设计要求；隧洞正常运用时的洞壁最小内水压力不小于2.0×9.81 kPa；发电支洞岔管引起的水流分离要满足不发生空化空蚀的要求。

当作为放空洞运行时，在汛限水位4 296.0 m及以下，隧洞泄流既要满足洞身的水力安全要求，同时还要兼顾该时段下游河道的泄流量不超过160 m3/s的行洪要求。

另外，在隧洞的上述各运行阶段，其下游的消能设施应能满足工程安全运行的要求。

3 试验模型

根据该长隧洞模型试验研究内容及可能涉及的隧洞进口水流表面漩涡等问题，在模型比尺选取时要综合考虑隧洞管壁材料糙率及进水口水流漩涡的相似要求。由于一般模型中水流的黏滞力和表面张力对漩涡的抑制作用较原型强，可能导致模型中水流漩涡与原型不相似。目前常用的水流漩涡相似判据是：在考虑模型水流佛氏数(Froude number)与原型相似的前提下，为使模型水流粘滞力和表面张力的影响相对较小，对模型水流雷诺数(Reynolds number)和韦伯数(Weber number)提出了临界约束条件[4-5]，即模型水流雷诺数Re=Q/νs>3.0×104，韦伯数We=ρV2d/σ>120，其中Q为流量，ν为水体运动黏滞系数，s为进水口孔口中心淹没深度，ρ为水体密度，d为孔口高度，σ为水体表面张力系数。

当该隧洞模型采用比尺Lr=30、按管道阻力相似设计时，模型管道的糙率应为0.007 9，与有机玻璃管壁模型糙率基本相符；各运行条件下模型水流雷诺数和韦伯数见表1，可以看出，该比尺模型各试验条件下的水流雷诺数和韦伯数均满足隧洞进口水流漩涡相似的要求。模型模拟范围包括上游水库、泄洪隧洞、电站引水分岔管道、隧洞下游消力池、海漫及下游河道。

4 隧洞各运行阶段水流特性及存在的问题

4.1 隧洞泄洪流态

在闸门全开条件下，当隧洞泄流Q=54 m3/s时，H库=4 269.04 m；隧洞进口前水流平顺，无漩涡等不良流态；洞内全程为明流流态，在发电支洞岔口位置，主洞内的水深为1.63 m，水面线低于岔管口底高程约0.07 m，洞内水面无水流折冲现象。当隧洞流量增加至Q=130 m3/s时，H库=4 271.47 m、H/D=1.20(式中H为从隧洞进口底板起算的上游水深，D为洞径)；隧洞进口前流态仍然较好，洞内全程为明流流态，但发电支洞岔口位置，主洞内的最大水深约3.0 m，岔管内有强烈的平面剪切回漩流生成；同时，由于岔管口对水流的扰动，主洞内形成了0.5 m高的水翅，并产生了一定强度的水流折冲，在岔管口以下约60 m以后，主洞内的水流折冲现象才基本消失。

当隧洞泄流为Q=150 m3/s时，H库=4 271.94 m，H/D=1.28；隧洞进口前进流平顺，无漩涡等不良流态，除检修门槽下游90 m范围内出现明满交替流外，隧洞其它部位均为稳定的明流流态，门井内有水流吸气的声响，门井后有压洞顶有气泡形成，并随水流下行；与洞内明满交替流伴生的水力现象是，洞顶小气泡周期性地变大为气囊并发生溃灭，而门井后满流段长度则在10～90 m之间变化。在发电支洞岔口位置，主洞内水深约3.3 m，明流水面线在岔管口高度范围内，岔管口下游主洞内仍发生水流折冲及水翅冲顶现象，水翅沿洞壁的最大爬升高度约0.9 m，岔口段洞壁可能会发生冲蚀破坏。

表2 隧洞岔管段特征部位不同流量下的水力参数

当隧洞泄量为Q=200 m3/s时，H库=4 273.12 m，H/D=1.50；上游水位已高于隧洞喇叭进口顶缘1.4 m，进口前水流平顺、无漩涡生成，检修闸门井内间歇性地出现水流吸气现象；隧洞前端满流段长度在300～380 m之间交替变化，满流段管顶有大量小气泡及尺度较大的气囊顺流而下，气囊最长时达60 m，其生成和持续时间6～8 min；在岔管口处，主洞内的水深约3.7 m，与岔管口顶缘基本平齐，但岔管口引起的水翅可爬升至洞顶，水翅最大高度达1.7 m，明流主洞内仍存在水流折冲现象。

当隧洞泄量为Q=220 m3/s时，H库=4 273.96 m，H/D=1.66，隧洞全程呈刚刚满流流态，进口前有持续的吸气型立轴漩涡生成，漩涡直径最大约1.5 m，洞内顶部有连续不断的小气泡随水流下行，洞顶偶尔形成直径0.2～0.3 m的较大气泡。随着上游来流量增大，水库水位升高，隧洞进口前漩涡尺度逐渐减小，进入隧洞内的气泡数量也在减少。当流量Q>300 m3/s，H库>4 286.45 m时，隧洞进口前的水流漩涡才完全消失。

4.2 隧洞泄流能力

工作闸门全开时的隧洞泄流能力试验成果如图2所示。根据施工导流设计要求，在H库=4 276.5 m和4 280.0 m时，隧洞要能下泄243 m3/s和270 m3/s的流量。从试验成果可以看出，隧洞实际只能下泄流量237 m3/s和260 m3/s，比设计值分别偏小2.5%和3.7%。当隧洞作为泄洪洞运行，并在防洪限制水位及以上时，模型隧洞实测泄流量大于设计值3.0%～4.0%。模型试验结果表明，在原型隧洞壁面糙率n=0.014条件下，将隧洞作为导流洞运用时，其泄流能力略偏小，这与隧洞在泄流210～300 m3/s时存在进口吸气型漩涡及洞中水流有气泡有一定关系；当作为泄洪洞在防洪限制水位以上运行时，由于库水位相对较高，隧洞进口前流态良好，其泄流能力有一定富余。

图2 隧洞全程满流时的泄流能力曲线

4.3 隧洞的动水压力及水流空化特性

泄洪隧洞在桩号0+387.0 m位置有分岔发电支洞，其主洞和支洞分岔段的动水压力及水流空化特性关系到隧洞的安全运行。由模型试验可知，在闸门全开条件下，隧洞全程为满流的临界流量为Q=220 m3/s；因此，在Q<220 m3/s的一定流量区间，隧洞支岔管段会产生强度不一的明流冲击波及水翅现象，表明此处可能存在水流分离或负压。因此，针对隧洞岔管口段特征部位进行了动水压力及流速观测，并计算了相应部位的水流空化数，各试验工况的相关参数见表2，表中1#，2#测点在岔管口的上、下游主洞侧腰部，3#，4#测点位于支洞进口以内断面的左右侧腰部。

表中水流空化数σ计算公式：

(1)

式中：p0是试验得到的洞壁面时均压力；pa是当地大气压(因当地海拔高程约4 260 m，其大气压强比标准大气压低约46.4 kPa)；pv是水的汽化压力，按水温15℃时的取值为1.7 kPa；v0是根据水深计算的断面平均流速；ρ是水的密度。

试验成果表明，当岔管附近的明流水面线在支洞的洞径高度范围内变化时，岔管口周边壁面均有一定的负压，即使在隧洞刚为全程满流Q=220 m3/s工况下，岔尖下游主洞壁面仍然有负压出现；试验测得壁面最大负压为-3.10×9.81 kPa，出现在流量Q=200 m3/s时的岔尖下游主洞侧腰。

根据各水力试验参数计算得到4种工况岔管处的最小水流空化数分别为0.72，0.67，0.20和1.08，即泄流量在200 m3/s左右时，隧洞岔管段壁面发生空蚀破坏的风险较大。

4.4 存在的主要水力学问题

从上述模型试验成果可以看出，当隧洞下泄流量在55 m3/s

5 隧洞安全运行优化措施研究成果

针对该隧洞在不同阶段存在的水力学问题以及隧洞布置难以调整这一现状，首先要解决隧洞导流时泄流能力偏小的问题；因隧洞在正常泄洪时的泄流能力比设计值偏大3.0%～4.0%，洞径不宜再增大；因此，要提高隧洞导流期的泄流量，宜从改善隧洞进口前流态、消除吸气型漩涡方面入手。而隧洞内出现的明满交替流及支岔管口引起的不良水力现象，则需要通过隧洞末端弧形闸门的合理调度来加以改善。当然，启用隧洞工作弧门进行水力调控，还要受其它水流条件的制约。如作为导流隧洞运用时，其上游围堰高程及导流后期大坝的施工进度，决定了施工导流期的上游水位限制条件；当作为水库放空洞运用时，既要考虑高库水位时段下游河道的流量限制，又要考虑低库水位时段洞内不出现不良水流条件的要求；另外，在隧洞工作弧门各种调度方式下，其下游的水流衔接及消能还应满足工程安全要求。

5.1 提高导流期隧洞泄流能力的优化研究

在施工导流期，当流量在Q=220～270 m3/s区间时，根据戈登公式S=CVd1/2，计算得到隧洞进口前不产生贯通式吸气漩涡的洞顶以上最小淹没水深为12.3～15.1 m，而模型试验实测进口洞顶以上淹没水深为3.6～12.3 m，分别比相应流量的临界水深低8.7～2.8 m。因此，在上述流量范围内，隧洞进口前出现吸气型立轴漩涡是必然的，而伴随着吸气漩涡的是洞内有大量气泡存在，其会减小隧洞的泄流能力。根据该隧洞进口布置，在模型上进行了消除进口吸气漩涡的试验研究，最后采用了在进口前拦污栅门槽内放置一平板门消除吸气漩涡的方案，即平板门总高度约2.5 m，门底缘只要沉入水面以下约1.5 m，上述各流量时隧洞进口前的吸气漩涡就完全消失，图3为放置平板门前后的漩涡流态对比。在此基础上，进行了隧洞在导流期特征上游水位4 276.5 m及4 280.0 m时的泄流试验，其泄流量分别达243 m3/s和266 m3/s，比隧洞进口采用消涡措施前增大流量6～7 m3/s，与设计值相比，流量最多偏小1.5%，基本满足施工导流期的安全运行要求。

图3 放置平板门前后的漩涡流态对比

5.2 作为导流隧洞时的运行调度方式研究

该隧洞在导流前期和后期分别对上游最高水位提出了4 276.5 m和4 280.0 m限制要求，通过对隧洞进口采取消涡措施后，其前期导流最大流量可达243 m3/s，后期导流最大流量可达266 m3/s；而隧洞导流时出现不良水力条件的流量区间为55～220 m3/s。因此，在上游水位不超过各阶段设计最高水位的前提下，通过工作弧门控泄方式使洞内呈现满流流态，可以实现改善洞内水力特性的目标。

在上述2级库水位限制条件下，进行了导流期不同泄流量与弧门开度关系的试验及相关计算分析，结果见图4。可以看出，在导流期流量55～220 m3/s区间内，可通过弧门控泄使洞内水力条件得到改善。在前期导流阶段，当弧门在图中上游水位4 276.5 m的临界开度线与洞内正压力临界开度线之间运行时，隧洞内不会出现不良流态，也不会产生负压及水流空化现象；在后期导流阶段，当弧门在上游水位4 280.0 m的临界开度线与洞内正压力临界开度线之间运行时，其隧洞的水力安全性均能得到保障；在导流期流量Q<55 m3/s或者Q>220 m3/s时，不用弧门调控，将弧门提至全开，洞内的流态及相关水力特性会维持在较好的状态。

图4 导流期不同泄流量与弧门临界开度关系

另外，如果将发电支洞岔管口高程抬高1.4 m，使其岔管口底高程高出隧洞底部3.1 m(Q=130 m3/s、H/D=1.20时，隧洞全程明流，支洞岔管口处隧洞水深约3.0 m)，则隧洞泄洪时需要进行弧门调控的流量区间将缩小至130～220 m3/s，闸门调度工作量将进一步减小。

5.3 作为放空洞时的运行调度方式研究

鉴于该工程下游河道在水库放空过程中要求泄流量Q≤160 m3/s，在高库水位泄流时段，必须采用弧门控泄方式才能满足设计要求。而从该隧洞的泄流特性来看，在闸门全开、H库≤4 272.2 m条件下，虽然隧洞的泄流量Q≤160 m3/s，但隧洞内存在明满交替流问题；或者隧洞虽然全程明流，但隧洞内的发电支洞岔口会引起主洞内水流折冲及水翅冲顶现象，岔尖下游主洞壁面发生空蚀的风险较高；只有当弧门全开敞泄的泄流量Q<55 m3/s时，隧洞内明流水面线才不受岔管口边界的扰动。因此，在流量Q≥55 m3/s时，必须按弧门控泄方式运行，且要保证全洞为满流流态及正压力分布，同时在Q≤160 m3/s的前提下，应尽可能加大泄流量，以尽快放空水库。根据上述原则进行了相应的模型试验及计算分析，最后整理出该隧洞在水库放空过程中的库水位与弧门开度、流量关系曲线，如图5所示。

图5 放空期库水位与弧门开度、流量关系曲线

根据试验成果可知，在水库放空过程中，当按图5中的库水位与弧门相对开度关系进行调度时，隧洞内不会出现负压力，其放空洞流量Q≤160 m3/s；图5中流量过程线为各库水位时所对应的隧洞最大允许下泄流量。

另外，如果抬高支洞岔管口高程1.4 m，在水库放空及施工导流时段，需要利用弧门进行控泄的最小流量将从55 m3/s提高至Q=130 m3/s；即按图5的调度方式放空水库时，只要H库≤4 272.56 m(此时Q=130 m3/s)，就可以将弧门提至全开泄流，此时洞内为全程明流，支洞岔管口在水面线以上。

在按上述调度方式进行水库放空泄流时，隧洞下游明流段可能会产生一定的高速水流问题；当库水位在4 296.0～4 278.0 m、控泄流量Q=160 m3/s时，试验实测消力池前斜坡底板上出现了(-0.9～1.0)×9.81 kPa压力分布区域，该处水流流速最大可达23 m/s，水流空化数最小为0.2，有发生空化空蚀的可能；建议对该工程空蚀潜在区采用抗空蚀材料进行施工，并严格控制过流面施工平整度。

6 结 语

在水利枢纽工程隧洞设计时，如采用一洞多用，在获得一定经济效益时，隧洞运行的水力条件将更趋恶化和复杂。通过对某工程多用途水工隧洞进行系统的水力模型试验及计算分析，得到如下基本认识：

(1) 多用途水工隧洞虽然面临着不同运行阶段显著的水力差异性考验，但通过合理设计，可将隧洞的不利水力条件控制在较小的运行范围内，再结合闸门的适时调度，可以解决隧洞各运行阶段的相关水力学问题，在保证隧洞安全运行的前提下，能够体现出多用途水工隧洞较好的经济性。

(2) 当隧洞底坡为陡坡、隧洞出口无闸门控制时，试验得到隧洞全程明流的判断标准为隧洞进口前底板以上水深与洞径之比H/D≤1.20；而隧洞发生明满交替流的判断标准，则与隧洞底坡、洞长、洞径以及隧洞进口前水深等相关；本工程隧洞出现明满交替流的流量区间为130～220 m3/s，其1.20

(3) 当隧洞内有分岔支洞时，在其分岔口桩号位置一定的前提下，支洞岔管口管底应尽量布置在H/D=1.20时的明流水面线以上位置，可以减少隧洞末端弧门控泄运行的流量区间。如本工程隧洞岔管口高程按上述原则抬高1.4 m布置，则在施工导流期和水库放空运行时段，需要弧门控泄运行的最小流量从55 m3/s提高至130 m3/s，进而大大减少弧门调度工作量。

参考文献：

[1] 李学海，李 蘅，石教豪. 陡坡隧洞明满交替流成因及改善措施 [J]. 长江科学院院报，2013，(8):40-45. (LI Xue-hai，LI Heng，SHI Jiao-hao. Causes and Control Measures of Mixed Free-Surface-Pressure Flow in Steep-slope Tunnel [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2013，(8):40-45.(in Chinese))

[2] 张从联，钟伟强，江 洧. 泄洪洞有压流问题试验研究与初探[J]. 华南理工大学学报(自然科学版)，2003，(7):70-73.(ZHANG Cong-lian，ZHONG Wei-qiang，JIANG Wei. Experimental Research and Simple Discussion on the Pressure Fiow of Discharge Tunnel [J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)，2003，(7):70-73.(in Chinese))

[3] 杜 兰，陈 俊，吴 比，等. 西藏拉洛水利枢纽泄洪洞(三洞合一方案)水工模型试验研究报告[R].武汉：长江科学院，2014. (DU lan, CHEN Jun, WU Bi,etal. Report on Hydraulic Model Test on Tibet Laluo Hydroproject Discharge Tunnel (Scheme of Three Tunnels into One) [R].Wuhan: Yangtze River Scientific Research Institute，2014.(in Chinese))

[4] AMPHLETT M B. Similarity of Free-vortex at Horizontal Intake[J]. Journal of Hydraulic Research, 1978, 16(2):95-105.

[5] JAIN A K. Vortex Formation at Vertical Pipe Intake[J]. Journal of Hydraulics Division, ASCE ,1978,104(10):1429-1445.