压力隧洞中岩井的设计和功能需求

压力隧洞中岩井的设计和功能需求

在水电行业，对水工压力隧洞中岩井的设计和功能需求一直存在误解。如果岩井运行效果不佳，则水流通过未衬砌隧洞时，挟带的物质会损坏水轮机转轮，从而严重影响发电，增加运行费用。阐述了水工压力隧洞中岩井的设计和功能需求，并深入讨论了其对水电站安全和经济运行的重要性，根据加拿大西部一系列小型水工隧洞CFD模型计算结果提出了岩井布置的若干建议。

水工隧道；压力隧洞；隧洞设计；岩井布置；加拿大

悬(推)移质输移的经验分析方法是20世纪60～70年代由物理模型研究发展起来的，由此建立的悬(推)移质输移与隧洞内水平均流速的关系可以直接作为悬(推)移质输移风险的评估标准。随着高速计算机和程序软件的发展，计算流体动力学(CFD)模型为岩井设计提供了一种相对简捷的方法以评估湍流和悬(推)移质运输移临界值，作为一个关键指标，湍流动能可以与推移质和悬移质输移的起动相关联。基于这种分析方法，可以为岩井设计提供关键参数，从而限制或者防止水轮机运行时发生损伤。本文通过CFD案例分析，全面深入阐述了岩井功能和保证水轮机有效运行的关键设计。

自从20世纪60年代CELSEP型岩井首次在加利福尼亚州上亚美利加(Upper American)河的杰伯德(Jaybird)隧洞应用以来，从未对岩井行业标准进行过修订。这种岩井包括多个单元格上覆一系列剪力板和剪力条，作用是分离推移质主流，使之落入网孔并收集在岩井中。一些设计师和工作人员认为，开放式、斜坡式或者开放箱式结构岩井可以有效地降低项目成本。设计合理CELSEP岩井的施工成本对工程总成本、设备损伤风险和断电维修导致的收入损失来说往往微不足道。

1 岩井的水力功能

岩井修建在引水洞下游，位于引水系统钢衬与压力管道之前，是一种集物池。没有岩井，引水洞就存在重大缺陷，水电站的运行成本就会增加。而在进水塔设计中，作为标准组件的拦污栅只是为了保护发电设备免受来自进水口上游漂浮物(如木头)的损伤，不能取代岩井。

无衬砌压力引水洞运行时，裸露的岩石表面，喷混凝土以及混凝土衬砌段会受到水流波动或振动压力脉冲的冲刷作用。这些压力脉冲进入到隧洞围岩裂隙中不会缓慢平衡地消散，而是松动岩块。

2 水电站压力隧洞水流条件

水电站压力隧洞设计首先是根据水文条件和设计流量确定隧洞尺寸，满足发电需要。无衬砌压力隧洞内的水流速度取决于设计流量(m3/s)，而设计流量与隧洞的断面尺寸有关。根据以往一些工程的设计经验，美国电力研究协会(EPRI)建议无衬砌隧洞中未铺设仰拱的最大允许流速应不大于1.5 m/s，而铺设仰拱的不应大于 2.75 m/s。布洛克斯研究了大量遭受冲刷和损伤的隧洞案例，此前许多工作人员对这些损伤疑惑不解，根据隧洞流速和地质条件的关系，为了防止隧洞水流对围岩的冲刷，他建议岩石条件好的隧洞最大允许流速应低于 2.5 m/s，而岩石条件尚好的则应低于 1 m/s。

隧洞尺寸可以根据设计流量和选择的流速临界值初步选定，隧洞的最终尺寸可以根据施工方法(钻爆法或者TBM)和施工设备的选择进行优化，进而优化与施工风险相关的隧洞施工程序和项目成本。在最终的竞标中，承包商往往希望采用已有的施工设备或者为了提高施工效率可能会扩挖，因此通常会修改水电站隧洞的断面尺寸。然而重要的是，最终的隧洞断面尺寸要与岩井水力性能以及推移质输移趋势相协调。

水电站压力隧洞内的水流条件受隧洞最终糙率的控制，而糙率又受制于施工方法，就钻爆法施工而言，主要受施工质量控制。隧洞开挖中猛烈的爆破通常会导致洞壁粗糙不平，使隧洞周壁水流的剪切速度升高，表现出湍流特性。湍流往往会对不稳定或软弱岩石造成冲刷。相对而言，开挖时控制爆破用药量而且岩石条件较好或者采用TBM开挖，隧洞内的水流通常是层流。分析钻爆法开挖小型隧洞中典型的对称流条件得出，最大湍流动能分布在隧洞底板和顶板，这两个部位冲刷风险最大。因此湍流通常出现在隧洞周边动能最大的地方，冲刷最易发生在隧洞边墙下部、底板和顶拱。无衬砌水工压力隧洞中最终喷混凝土衬砌设计时应考虑这一点。

如果隧洞内水流流速高，洞壁不稳定的软弱岩石又无衬砌保护，则洞壁就会遭受高速水流冲刷，岩井中就会累积岩屑。在设计隧洞断面尺寸时，许多隧洞的最大容许流速通常取3 m/s，而要保护隧洞免受水流冲刷和损伤则要采用更低的流速。一个能体现允许流速重要性的相关案例是近期开展的大型水工隧洞的国际研究项目(保密项目)，其中大量岩屑累积了数十年，而在此之前这一现象是不可理解的。这项研究结果表明，一段已竣工的隧洞，由于围岩地质条件较差导致竣工隧洞断面面积减小，相应地隧洞内水流速度至少为 4.5 m/s，导致持续的冲刷和岩屑的产生。因此，在确定隧洞运行水流条件和进行岩井设计时考虑所有关键因素是非常重要的。

虽然水工压力隧洞往往带压运行，但应意识到水压常发生波动，并可能在输水系统中产生水击浪涌，使隧洞围岩受到瞬态压力，导致在岩体裂隙中的孔隙水压力难以消散。这种瞬态压力效应可以导致洞壁上的岩块松动，在这种压力的长期作用下隧洞功能会过早退化。对这种运行条件所带来的风险应该进行深入评估并在岩井最终设计中加以考虑。针对这种运行条件的缓解措施之一是增大排水孔，促进围岩、喷混凝土或者其他半结构衬砌裂隙中孔隙水压的消散。

3 隧洞内物质的输移

水工压力隧洞内物质的输移方式受水流条件的影响，而水流条件又反过来受施工形成的隧洞轮廓尺寸以及施工质量和开挖方法的影响。推移质和悬移质在隧洞中的输移过程中，粉粒和粘粒一类的小颗粒物质在湍流作用下作为悬移质输移于隧洞上部，而大颗粒的砂和岩屑则作为推移质在隧洞底部滚动和滑移。悬移质通过水轮机不会对水轮叶片造成明显损伤，而更重的砂和岩屑则会造成损伤，因此需要用岩井捕捉和控制。

通过物理模型试验可以得到层流条件下隧道平均流速和砂石颗粒大小之间的经验关系。隧洞内水的平均流速可以用设计流量除以典型或平均隧洞断面面积来估算。基于这种关系，可以看出隧洞内水的平均流速大于 2.5 m/s时就可以冲刷150 mm的颗粒，给隧洞的运行带来风险。而隧洞内水的平均流速较低(约 1.4 m/s)时，可以冲刷40 mm的颗粒，会对运行中的转轮带来损伤风险。应该认识到的是，采用钻爆法开挖的隧洞常使洞内水流产生非层流或者湍流条件，这样就会冲刷更大的颗粒。

针对给定隧洞的尺寸和洞内水的平均流速，可以评估物质输移的潜在风险。由于开挖的隧洞轮廓不规则引起的湍流，洞内水的流速通常更高，尤其是在隧洞底部或底板，因此导致大颗粒物质的冲刷。理解水流状态和物质输移机制，就可以解释像较大岩块这类物质在隧洞内的输移，而之前认为这是违反普通水力学原理的。因此，评估与冲刷和物质输移风险有关的最大允许流速非常重要。

这一经验关系表明隧洞内大颗粒物质也可被低速水流冲刷带走。

4 岩井的水力学设计

4.1 设计要求

岩井通常位于输水系统钢衬或压力钢管段上游端部、下游隧洞入口部位的上游。在无衬砌的长隧洞中，由于隧洞内水流速度较高或围岩稳定条件差，因此存在长期冲刷风险，为了避免频繁清理岩井而影响发电，最好在隧洞中设置多个岩井。

岩井水力学设计需要注意以下4点：

(1) 保持断面尺寸一致，不扩大不缩小，将水流干扰控制在最低水平；

(2) 在岩井隧洞主流断面与岩井滞水区之间设置人工剪切板，使岩井内湍流最小化，同时允许岩屑落入岩井中；

(3) 设置挡板，减少岩井中岩屑的输移；

(4) 正常运行可能产生大量岩屑的隧洞和形状复杂甚至包含弯道和斜坡的隧洞，应进行物理模型试验或者CFD分析。

岩井设计中常见的错误是用增大岩井上部隧洞主流断面的方法来减小流速，事实上修改隧洞几何形状会导致岩井上湍流的形成，有碍岩井高效的水力性能的发挥。

4.2 岩石积累

岩井的容积或规模应基于首次充水和特定的清理间隔时段内预计冲刷松动所产生的物质体积来确定，根据20世纪60年代澳大利亚雪山项目钻爆法开挖隧洞中岩井的调查结果，EPRI引用了其中的岩石积累系数标准，即 1.25 m3/100 m2。

布洛克斯总结了许多未衬砌隧洞中岩井尺寸与开挖方法的关系，指出TBM开挖的隧洞中岩石积累系数变化范围很大， 0.01～25 m3/100 m2，而对于钻爆法开挖的隧洞为 0.15～1.0 m3/100 m2。因此，将清理频次作为设计标准是非常重要的，因为这对所需要的岩井总容积影响很大。如果不打算每隔几年清理一次，则需要较大的岩井。大多数岩石积累系数都是以单位面积每年产生的物质体积来表示的。然而，应该认识到隧洞中大多数岩屑产生于初次充水中，而在随后的输水过程中，产生的岩屑体积明显下降，最高可下降75%。EPRI引述的雪山项目岩井体积标准与挪威隧洞运行3～5 a后的观察结果相一致。因此，岩石积累系数应通过5 a而不能只通过1 a的运行结果来确定。虽然上述岩石累积系数是合理的，但还需要总体考虑隧洞沿线的岩石质量以及钻爆法的开挖质量。如果大部分洞段的岩石条件由好到差，则岩石累积系数应较高，对用钻爆法施工的隧洞可取1.75 m3/100 m2。还有一点也很重要，即隧洞岩井的最终设计应基于首次充水捕捉到的物质来确定，而不是根据后续输水取较小的岩石累积系数。

与岩井相关的开挖和支护成本相对较小，而与挡板和剪力板相关的成本则比较可观，由于水流产生的荷载较大，挡板通常采用钢筋混凝土结构，而剪力板和钢筋中的钢结构含有工字梁。

自20世纪60年代以来，作为岩井行业标准的CELSEP型岩井就不曾有过大调整，这种设计是在加利福尼亚州上亚美洲加河上杰伯德隧洞项目中发展起来的，为了确定其水力学特性进行了物理模型试验。世界上许多水工隧洞都建有CELSEP 岩井，实践证明其运行效果良好。

4.3 关键设计标准

特定项目岩井整体设计的关键设计指标如下：

(1) 允许越过岩井的最大颗粒直径；

(2) 隧洞内物质累积因子(无衬砌隧洞每清理周期单位面积的累积体积，m3)；

(3) 岩井内物质清理频次(不大于全使用寿命周期)；

(4) 断电时最大允许清理时间；

(5) 检查和清理通道(通道断面尺寸对机械设备很重要)。

在岩井设计中需考虑的一个重要因素是，在隧洞建设实践中通常全断面铺设钢筋网，剥落下来的不完整岩屑和松弛的岩块将收入其中，在网内形成大的凹陷，可以想见这些岩屑量是岩井有可能收集到的与隧洞沿程冲刷产生的极限量。

拦污栅的最大允许开口尺寸与允许通过水轮机且不对其造成损伤的粒径有关，即限制大的自然物体进入输水系统。这一设计准则不同于越过岩井的最大允许颗粒粒径，后者与隧洞内的水流条件和岩井设计方案相关。

另一个常常被行业误解的设计要求则是岩井的清理频次，运行人员需要认识到保持岩井壁清洁对防止设备损伤是极其重要的。基于以往的运行情况，假设所有软弱夹层和松动岩块均得到有效保护，则大部分岩屑产生于隧洞运行的初始阶段。

4.4 通道与运行

要想在运行期保证发电收益的最大化，则须尽量减少因隧洞维护而引起的停机。因此，人们往往设计过大容量的岩井来延长清理的间隔时间。同时，考虑通道的便利性也有助于减少因清理岩井而造成的停机时间。许多位于岩井下游的混凝土堵头都包含隔离门，允许如山猫挖掘机一类的小型设备通过，方便岩井清理。增加这样的通道所带来的建设成本并不低，但由停机所产生的经济损失则往往更大。

如前所述，在岩井的最终设计中，还应该考虑隧洞的瞬态运行压力。剧烈的瞬态压力会破坏未衬砌隧洞，导致岩块松动，产生大量岩屑。在水电站设计中一般会进行详细的瞬态水力学分析，应避免产生负压而导致未衬砌隧洞的破坏和大量岩屑的产生。

5 CFD建模

5.1 概 述

湍流是沉积物输移的主要物理机制，对岩井性能的影响非常大。因此，可以用湍流来评估隧洞和岩井中沉积物的输移。

CFD建模可以预测单位质量流体的湍流动能，用m2/s2表示。湍流动能可以作为沉积物输移的有效判据，因此在隧洞尺寸、开挖方法、水流设计、隧洞位置和形状确定的情况下，也可以判断岩井设计的总体性能和效果。

沉积物的输移不能直接利用湍流概念来研究，而是要用到一些简化的概念，如均匀一维流推导的剪切速度和基底剪应力，但这并不完全适用于岩井内不均匀三维流的情况，因此不能得到湍流和沉积物输移的直接关系式，而需要借助其他方法。

有学者提出了预测沉积物输移起动的判别指标，即剪切速度u*(代表湍流动能)以及沉积物下沉速度ωs(代表沉积物的颗粒大小和浮重)的比值，判别式如下

u/ω>0.10，推移质开始输移

(1)

u/ω>0.40，悬移质开始输移

(2)

假设以上表达式可以简化为湍流动能(T)，重力加速度(g)、沉积物粒径(D)之间的比，则判别式如下

T/gD>0.05，推移质开始输移

(3)

T/gD>0.78，悬移质开始输移

(4)

通过对比一维分析计算出的沿隧洞底板湍流动能分布和CFD模型预测结果，可以评估岩井设计的性能和效果。特别重要的是，在分析中不仅要考虑岩井中湍流动能的平均值，而且还要考虑其最大值及其分布和范围，而这才是沉积物输移的风险。

为了证明CFD建模的价值，了解岩井的水力学性能，下面讨论了加拿大西部大锡尔弗(Big Silver)、上利卢埃特(Upper Lillooet) 以及博尔德克里克(Boulder Creek)小型水电站的岩井设计案例，并对每个模型湍流动能进行了比较。

5.2 大锡尔弗项目

该项目隧洞平直(没有弯道)，纵坡降小。采用CFD建模对岩井上游小梯度直线洞段进行了评估，隧洞纵坡降 1.1%。岩井位于水平洞段，隧洞断面为马蹄形，宽6 m，高 5.5 m，采用钻爆法开挖。岩井宽6 m，深3 m。隧洞内水的平均流速为 1.44 m/s。

CFD模型计算结果表明，设计方案中缺少抗剪板和格栅时，岩井中会产生动能极大的湍流，推动大直径颗粒的输移，从而损坏发电设备，危害运行安全。

5.3 博尔德克里克项目

5.3.1 隧洞布置方案A

该方案隧洞为直洞，上游纵坡降较大。根据隧洞布置方案，对岩井及其上游洞段进行CFD建模，隧洞为马蹄形断面，宽 3.6 m，高 4.5 m，隧洞纵坡降12.5%，采用钻爆法施工。岩井位于水平洞段，宽3.6 m，深 2.5 m。模型计算分为有、无抗剪板条件，隧洞内水流的平均流速为 0.9 m/s。

CFD建模计算结果显示，无论有无抗剪板，岩井的湍流动能均较高，超过 0.008 m2/s2。对于小型隧洞而言，该值相当高，同时也表明不能将岩井布置在斜坡洞段端部，因为这里湍流动能高，物质输移越过岩井的风险大。

5.3.2 隧洞布置方案B

该方案上游隧洞为弯洞，隧洞纵坡降大。使用CFD模型对岩井进行评估，弯洞位于设计岩井上游50 m处，隧洞纵坡降与该工程设计方案一致，为12.5%。岩井布置在水平隧洞段，隧洞宽3.6 m，高4.5 m，为马蹄形断面，钻爆法开挖。岩井宽3.6 m，深 2.5 m。CFD模型分别进行了设置或未设置抗剪板分析，隧洞中水流平均流速为 0.9 m/s。

CFD模型计算结果表明，大部分岩井动能水平均较高(不管是否设置抗剪板)，动能超过0.008 m2/s2。对于小型隧洞而言，该值非常高，同时表明不能在弯道和斜坡洞段下游设置岩井。水流以次级环流和非对称流的形式流过弯道，提高了岩井上方湍流动能和物质输移风险。

5.3.3 隧洞布置方案C

该方案隧洞上游不存在弯道和陡坡，CFD建模分析中岩井上游洞段纵坡降1.1%。岩井位于水平洞段，隧洞宽 3.6 m，高 4.5 m，为马蹄形，钻爆法开挖。岩井宽 3.6 m，深 2.5 m。岩井CFD模型计算仅考虑设置抗剪板的情况，隧洞内水流平均流速为 0.9 m/s。

CFD模型计算结果表明，抗剪板内部和周边湍流动能水平明显较低，约为 0.002 m2/s2，说明岩井布置合理，不存在物质输移越过岩井的风险。

6 结果对比

大锡尔弗项目隧洞较大，宽6 m，湍流动能 0.008 m2/s2。博尔德克里克项目隧洞较小，宽仅 3.6 m，预测的最大湍流动能为 0.002 m2/s2，仅是大锡尔弗项目的30%，而隧洞中水的流速约为大锡尔弗项目的60%。这些结果表明湍流动能对流速具有高度敏感性，流速增大60%，湍流动能可能增大300%，对工程运行中物质输移和冲刷可能带来极大的风险。

上利卢埃特项目隧洞宽6 m，纵坡降较小，对类似的岩井设计方案所做的分析尚未完成，但根据上述案例的分析结果，在不设置抗剪板和格栅的情况下，流速增加30%产生的湍流动能最大值将达到 0.001 5 m2/s2，比大锡尔弗项目高100%。由此可见，上利卢埃特项目同样需要设计相似的CELSEP 岩井。

7 结 论

岩井是水工压力隧洞中基本的水工建筑物，需要精心设计，并考虑所有相关设计准则，从而保障有效运行，保护厂房设备不受损坏，其中尤其重要的是要充分了解与受隧洞尺寸和开挖方法影响的水工压力隧洞有关的水流条件。

计算流体动力学(CFD)建模作为岩井位置、尺寸、形状和水力状态的设计软件，可以评估岩井的性能和效果，计算湍流动能。湍流动能是评估沉积物输移的有效判据，因此也是在一般隧洞水力学特性给定条件下岩井总体性能的判据。当CFD模型计算出高湍流动能时，在岩井设计中需要加入抗剪板、格栅以及挡板，从而有效控制沉积物输移越过岩井。

一系列CFD分析表明，含有挡板和抗剪板的岩井水力学性能较好，可以有效控制岩屑。无内部组件或仅含挡板的“开放式”箱型岩井，无法有效控制岩屑，并对电站运行构成威胁。

罗忆马贵生译

(编辑：朱晓红)

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2017-02-09

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