缙云分洪隧洞进口过渡段水力特性研究

杨坚玲，韩晓维

（1·缙云县水务投资有限公司，浙江 缙云 321400；2·浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017；3·浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310017）

1 问题的提出

缙云分洪隧洞是缙云县县城排水防洪综合治理工程的重要组成部分，隧洞工程由进口分洪控制闸、分洪隧洞和出口控制闸组成，主要功能为洪水分流，保障缙云城区防洪安全。隧洞为无压分洪洞，20 a一遇洪水设计分洪流量为400 m3/s，进口段主洞衬砌后尺寸为12.0 m×12.5 m（宽×高），为III等工程。隧洞进口布置在顺直河道左岸，为侧向进流，其分水角约为31°，且无较大的调整空间，因此，其进流流态主要取决于两侧导墙的收缩角度。本工程原设计方案隧洞进口过渡段右侧导墙的收缩角度为28°，超过Chow推荐的12.5°[1]，需要通过模型试验进行论证优化。

当隧洞进口过渡段剧烈收缩和突缩时，水面沿程变化较大，可能出现不良流态，如漩涡和局部边界层分离等，通常会引起较大的水头损失，甚至产生瓶颈效应，即（Choked water）现象，抑制过流能力[2]。隧洞进口过渡段内水头损失由沿程水头损失和局部水头损失组成，其中局部水头损失通常占主导部分[3]，是判断进口水流流态优劣的一个重要变量指标。Kazemipour指出，当过渡段剧烈变化时，局部水头损失甚至可占总水头损失 90%以上[4]。进口水流流态越平顺，水头损失越小，由于局部水头损失系数不仅与布置有关，还与水流条件如水面收缩角、弗劳德数和雷诺数等有关[5]，且存在很大变化范围，因此重大工程隧洞进口过渡段局部水头损失需要通过试验确定[6]。

基于上述情况，为科学论证缙云分洪隧洞进口平面布置的合理性，采用1:50正态水工模型对隧洞进口过渡段水力特性进行分析。

2 模型设计

2.1 工程布置

缙云分洪隧洞进口位于好溪干流上，河道宽度B约为135.0 m，隧洞进口中心线与河道中心线夹角θ约为31°。侧堰设3孔，单孔净宽12.0 m，堰高P为1.0 m。侧堰下游为过渡段，过渡段中心线长Lm，明渠段左侧挡墙收缩角为θl，右侧挡墙收缩角θr，挡墙长度分别为Ll和Lr，明渠段下游为控制闸，采用双扉闸，闸室尺寸为12.0×10.3 m（净宽×净高），闸底板高程较侧堰顶高程降低4P。工程平面、剖面布置见图1和图2。控制闸下游为分洪隧洞，断面尺寸为12.0 m×12.5 m（净宽×净高），宽度与控制闸一致。主要对原方案及推荐方案的过渡段水力特性开展试验研究，各方案过渡段特征参数见表1。

表1 各方案特征参数表

图1 进口过渡段平面布置图

图2 进口过渡段剖面布置图

2.2 模型比尺

根据研究目的，物理模型采用正态水工模型，按Fr数相似定律设计，分别满足重力相似和阻力相似。考虑模型流量、水深、流速以及阻力平方区等水力参数综合因素，模型比尺为1:50，相关物理量比尺见表2。

表2 模型相似率表

2.3 模拟范围及制作

物理模型采用自循环设计，模拟范围包括地下水库、进水前池、阀门、流量计、河道、分洪闸等，模型平面布置见图3。通过控制不同上游来流及主河道下游尾门水位来模拟相关工况，隧洞段模拟缓坡1.2 km，隧洞出口为自由出流。

图3 模型平面布置示意图

模型中控制闸及隧洞采用有机玻璃加工制作，设置伸缩节；河道地形采用断面板定位、水泥砂浆抹制。

2.4 研究工况

试验在3组不同干流流量条件下进行恒定流试验，试验工况设置见表3。表中Q0为干流流量，V0、Fr0分别为隧洞进口上游河道断面平均流速和弗劳德数，B为干流河道面宽。隧洞下游段为自由出流，因此进口过渡段内水位流量均为模型自主控制。

表3 试验工况表

3 试验结果分析

3.1 过渡段流态

对不同工况下过渡段水流流态进行观测，此时河道干流总体流向仍保持顺直，但进口侧堰附近流线存在一定转弯，并在过渡段内进行调整，进口附近河道水流流态见图4。原方案过渡段右侧收缩角达28°，受进流流向的影响，明渠段右岸边墙水面存在一定的顶冲作用，水面壅高，并在控制闸室进口附近形成明显的绕流流态，在闸室内形成水面跌落，分洪流量大时跌落幅度相对较大，左侧边墙水流相对较为平顺，原方案过渡段水流流态见图5 a。推荐方案对过渡段导墙收缩角进行调整后，各工况进流流态较为平顺，控制闸进口附近绕流流态改善较为明显，过渡段水流流态见图5 b。

图4 隧洞分洪后河道进隧洞进口水流流态图

图5 过渡段水流流态图（P=2%）

3.3 过渡段水面线

对P=2%、P=5%和P=10%三组工况下进口过渡段及控制闸的水面线进行观测。由于侧向进流左右两侧挡墙水面线存在一定差异，分别对原方案和推荐方案左右两侧挡墙水面线hx进行观测，结果见图6和图7。2个方案中，过渡段左侧挡墙水面线相对较为平顺，在控制闸附近水面经收缩后明显降落，而右侧挡墙受进流方向影响，在控制闸附近存在明显的折冲及绕流，在闸室内形成水面跌落，跌落幅度在0.4~0.9 m，分洪流量大时跌落幅度相对较大。

图6 右岸沿程水面线分布图

图7 左岸沿程水面线沿程分布图

过渡段水面线可直观表征其体型布置的合理性，由于原方案和推荐方案在角度发生变化后，两侧导墙长度有一定的变化，为论证此类侧向引水过渡段水面线特性，并对水面线进行归一化处理。横坐标取Lrx/（LrbLm-1），以闸后断面-12.0 m位置水深为h0，纵坐标取hx/h0，各工况无量纲水面线分布见图8。

图8 无量纲水面线分布图

原方案中，右侧导墙水面线最低点hx/h0为0.91~0.99，左侧导墙水面线在控制闸进口上游存在一定的顶托，在闸后呈单调下降。推荐方案右侧导墙水面线最低点hx/h0为1.01~1.04，较原方案有明显提高，左侧水面线则与原方案基本一致。研究表明，原方案两侧收缩角分别为6°和28°时，进口过渡段内水流存在较为明显的折冲，导致在控制闸进口右侧附近存在较为明显的绕流，形成水面陡降，有较为明显的阻水现象。推荐方案将两侧导墙分别修改为10°和12°，其收缩角满足Chow提出的不超过 12.5°范围[1]，其水面线有明显改善，由于Chow的研究基础以直线收缩为主，本工程为侧向收缩进流，因此在过渡段左右侧水面线仍存在一定的差异。

3.4 局部水头损失

局部水头损失是由于几何边界条件改变而引起的水流能量损失，是用来判断水流是否平顺的重要指标之一。隧洞进口过渡段的几何形状和水流边界条件与局部水头损失密切相关。

定义过渡段局部损失系数为水头损失与隧洞内桩号0+038 m断面流速水头的比值，水头损失ΔHij及水头损失系数ζij的计算公式分别为：

式中：vi为上游河道断面平均流速（m/s）；vj为隧洞桩号0+038 m断面平均流速（m/s）；ζij为i，j断面之间的局部水头损失系数；zi、zj分别为i，j断面平均底高程（m）；yi、yj分别为i，j断面平均水深（m），i，j断面位置见图9，分别为断面0-0和断面1-1，水头损失汇总见表4。

图9 局部水头损失计算断面示意图

表4 局部水头损失计算表

水面收缩的局部水头损失系数，目前一般远小于水面突扩的水头损失系数[8]。对明渠收缩的研究主要集中在正向进流收缩时的水头损失。Formica结合试验，提出断面突然收缩时的局部水头损失系数为0.23[8]；Henderson认为矩形突缩断面的局部水头损失系数一般为0.23~0.35，而对于设倒角的收缩断面，其局部水头损失系数可取0.10~0.20[9]。Chow认为过渡段为扭曲面形式时局部水头损失系数可取0.10~0.20，直线形取 0.30~0.50，突变取 0.75；Yaziji测得急流时直线和流线型收缩过渡段局部水头损失系数为 0.20~0.42[10]；张志恒指出对于扭曲面过渡段，隧洞进口局部水头损失系数不是常数，而是与水面收缩角有关[11]。

从本研究结果来看，不同水流边界条件时，过渡段局部水头损失系数为0.24~0.60，略大于正向进流时的损失系数。当推荐方案将两侧导墙收缩角进行优化后，其局部水头损失系数存在明显减小。

4 结论及展望

缙云分洪隧洞工程为侧向进流，其进口过渡段水力特性存在一定的特殊性，通过模型试验研究，对进口过渡段两侧导墙收缩角度进行调整，改善了进口段水流流态及水面线分布，降低了局部水头损失，保障了工程的分洪效益。

由于本研究基于特定工程开展试验研究，内容存在一定局限性，下阶段可结合分流角度、宽度及不同Fr数条件对此类隧洞过渡段水面线及水头损失之间的定量关系作进一步研究。