陡坡隧洞不同进口形式的水力特性分析

, 学海,

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司， 武汉 430010；2.长江科学院 水力学研究所， 武汉 430010)

1 问题的提出

某水电工程，为保证主导流隧洞出口长明渠干地施工，其右岸山沟支流需另设导流隧洞将支流来水导引至下游主河道。受地形影响，支流导流隧洞进口底高程350 m，出口底高程258 m，洞线长约1 200 m，进出口落差达92 m，隧洞坡度达7.6%，设计流量为286 m3/s，隧洞进口断面采用5 m×6 m城门洞型，出口为自由出流，为典型的陡坡长洞。

对于陡坡隧洞，其水力问题较为复杂，洞内流态可能会出现无压流、半有压流、明满交替流和有压流4种形态。其中，发生明满交替流时，洞前往往存在吸气漏斗漩涡，吸入洞内的气体会在洞内顶部或中上部产生不稳定气囊，随水流聚散、膨胀收缩、由上至下推移，洞内水流状态极不稳定，洞内水流流速、流量及压力等将发生周期性变化，通常会对隧洞产生空化空蚀、振动、冲击破坏。在水工设计和运行中，一般不允许采用这种流态[1]。而明满交替流的形成与进水口形式有着密切的关系[2]，因此本文对陡坡隧洞锐缘进口和曲线进口2大类进口形式下的泄流能力和洞内水流流态等水力特性进行分析比较和试验验证，以寻求满足安全经济要求的合理形式。

2 不同进口形式的水力特性分析

2.1 锐缘进口的水力特性分析

参考有关文献，为了避免不稳定流态，导流隧洞可采用锐缘进口，并使洞内正常水深小于洞高[1]。导流隧洞进口断面为5 m×6 m城门洞形，底部高程为350 m，顶部高程为356 m。

当进口水深与洞高比小于1.2时为无压流，对于陡坡隧洞，其无压流泄流能力不受洞长影响，进口水流为宽顶堰流，其泄流能力可按公式(1)计算：

(1)

式中：Q为泄流量；m为流量系数，一般取0.32～0.36；H0为上游水头，即上游水深(进口底板以上的水深)与流速水头之和；B为洞高。

当进口水深与洞高比超过1.2，对于锐缘进口，水流类似于闸孔泄流，其泄流能力可按公式(2)计算：

(2)

式中：Q为泄流量；μ为流量系数，μ=ε；H0为上游水头；d为洞高；ε为竖向收缩系数，与d/H0有关，查表求得。

与闸孔泄流相同，水流进入锐缘进口后产生收缩，其收缩水深可用公式(3)计算：

hc=εd。

(3)

式中hc为收缩水深。

另外，还可计算出隧洞的临界水深和正常水深等，该工程采用锐缘进口时的水力特性值见表1。

表1 该工程锐缘进口隧洞水力特性值Table 1 Hydraulic properties of tunnel with sharp-edge inlet

由表1可知，该工程设计流量286 m3/s时上游水深为16.9 m，进口收缩水深为3.78 m，收缩水深介于临界水深7.05 m和正常水深2.50 m之间，产生陡坡降水曲线，水流通过进口后水面下降，逐步趋近至正常水深。在设计流量下，流态为水流封闭进口而洞内为无压流的半有压流状态，如图1。

图1 锐缘进口陡坡隧洞半有压流状态示意图Fig.1 Sketch of half pressure flow in steep slope tunnel with sharp-edge inlet

图2 不同方法计算的该工程锐缘进口泄流能力曲线比较Fig.2 Curves of discharge capacity of steep slope tunnel with sharp-edge inlet calculated by different formulas

在半有压流情况下，隧洞泄流能力也可采用与公式(2)相同的半有压流泄流能力计算公式进行计算，区别在于流量系数和竖向收缩系数按闸孔泄流计算时是根据水深变化的变值，而按隧洞半有压流计算时是根据隧洞进口形式查表确定的定值。经查表，流量系数和竖向收缩系数可分别取为0.625和0.725，由此得到设计工况下上游水深为17.4 m，2种方法计算的泄流能力比较见图2，可见采用2种方法计算的泄流能力基本接近。

2.2 曲线进口的水力特性分析

常规的曲线进口与锐缘进口在小流量无压流状态下泄流能力相同，当流量达到半有压流后，由于其进口局部损失较小，隧洞泄流能力有所增加，有利降低围堰高度。

(4)

对于该工程无压流上限水深和有压流下限水深分别按1.2倍和1.5倍洞高考虑，相应上游水深分别为7.5 m和9 m，计算得到的相应流量分别为146 m3/s和557 m3/s，可见在上游水深变幅很小的情况下，计算泄流量变幅很大，两者之间泄流能力不易用公式计算，考虑采用差值计算。计算得到该工程采用曲线进口时的水力特性值见表2。

表2 该工程曲线进口隧洞水力特性值Table 2 Hydraulic properties of tunnel with curved inlet

由表2可见，设计流量286 m3/s时，上游水深为7.74 m，测压管水头为3.92 m，小于进口洞高6 m，进口承受负压，易产生吸气漩涡。

对于一般缓坡隧洞，从半有压至全有压流的过程中气囊的位置会有移动，但不会出现时而有压时而无压并伴随气囊的不稳定状态；对于陡坡隧洞，进入隧洞的气囊是不可能出现停留现象，进口在一定的淹没水深下隧洞的吸气漩涡是导致隧洞内产生明满交替流的直接原因[3]。因此，该工程设计工况下流态处于明满交替流状态，如图3。

图3 曲线进口陡坡隧洞不稳定流状态示意图Fig.3 Sketch of free-surface-pressure flow in steep slope tunnel with curved inlet

当流量逐渐增大超过有压流下限泄流量后，由于上游水深较小、局部损失大，进口承受负压，洞内流态仍处于不稳定流。但随着水深增加，进口负压逐渐减小，最终进入稳定的有压流状态。

2.3 进口形式选择

上述水力计算分析表明，虽然陡坡隧洞采用曲线进口可以提高泄流能力，降低围堰高程，但设计工况下，洞内流态处于明满交替流状态，不利隧洞结构安全；锐缘进口的泄流能力较低，但洞内流态好。考虑到该工程为山沟支流导流，其围堰规模较小，经综合比较，认为陡坡隧洞采用锐缘进口更为合理。

3 模型试验验证

为进一步验证进口形式对陡坡隧洞水力特性的影响，针对该工程开展了水工模型试验，模型按重力相似准则设计，模型比尺为85[4]。

3.1 泄流能力

试验分别研究了锐缘进口和曲线进口的隧洞泄流能力，并与采用本文方法计算的泄流能力进行比较，见图4。

图4 本文方法计算的该工程陡坡隧洞泄流能力曲线与试验曲线的比较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

由图4可见，本文所采用的泄流能力计算方法是基本合理的。对于无压流情况和锐缘进口半有压流情况，堰流和闸孔泄流的流态明确，分别采用相应的宽顶堰流和闸孔泄流计算公式进行泄流能力的计算，因此泄流能力计算值和试验值比较接近。对于曲线进口的明满交替流情况，其流态处于不稳定状态，水位变幅很小而流量变幅很大，由于隧洞坡度不同，工程布置不同，有压流下限水深与洞高的比值也不同[5]，难以准确计算有压流下限水深，因此本文明满交替流的泄流能力也较难得出与试验接近的成果。

3.2 洞内流态

试验表明，对于锐缘进口方案，当流量小于186 m3/s时，进口均未被淹没，洞内呈明流；当流量大于186 m3/s、上游水位超过358.2 m时，上游水深超过8.2 m，进口段形成闸孔出流形态，之后洞内均为明流，其流态如图1所示。

对于曲线进口方案，当流量小于243 m3/s时，进口均未被淹没，洞内呈明流；当流量大于243 m3/s、上游水位超过356.5 m时，上游水深超过6.5 m，进口被淹没，伴随有串通吸气漏斗漩涡产生，洞内形成明满交替流，其流态如图2所示；在流量达539 m3/s时，洞内流态仍为明满交替流。

4 结 论

陡坡隧洞进口采用锐缘和曲线形式时，进口水深超过1.2倍洞高后泄流能力和洞内流态明显不同，存在泄流能力和洞内流态的冲突，这主要是因为进口形式对隧洞水力特性产生明显的影响，隧洞进口吸气漩涡直接关系到洞内流态。对于锐缘进口形式，形成水流封闭进口而洞内为无压流的半有压流状态，可采用闸孔泄流能力计算公式进行泄流能力的计算，其泄流能力较低；对于曲线进口形式，形成明满流交替的不稳定流状态，可按导流隧洞泄流能力的通常方法进行计算，其泄流能力较高。

因此，为保证隧洞安全运行，设计陡坡隧洞时宜采用锐缘进口形式，尽量避免明满交替流。

参考文献：

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