無壓輸水洞洞內消能優化研究

尹明玉 ，王 浩 ，魏恒文 ，李 強

（1．中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2．北京市水利水電技術中心，北京 100073）

0 引言

作為常見的輸水建筑物，無壓隧洞在水利工程中應用廣泛。通常情況下的無壓隧洞洞內水流的流速較小，無需消能，然而當水頭較高時，洞內的水流流速可能會很大，因此，需要設置消能工進行消能。

許多已建工程都將消能工設置在無壓隧洞出口之后，使得高水頭下產生的高速水流對整個隧洞邊壁產生強烈的沖刷，并且洞內水流的水面產生較大的波動，從而提高了對隧洞護面襯砌材料的要求，造成工程造價的增加。同時，高速水流可能會導致明滿流交替等一系列不利的水流現象，影響工程的安全運行。

若能在隧洞進口處合理設置洞內消能工，減小洞內水流流速，就可有效改善隧洞結構的受力狀況及消能效果，同時降低工程造價。由于洞內消能工屬于隱蔽工程，一旦出現問題不易發現，同時由于消能工本身的復雜性，使得設置洞內消能工在技術上的要求較高。本文依托西藏旁多水利樞紐灌溉輸水洞水力學模型試驗，展開無壓輸水洞洞內消能及消能工優化研究，可為日后類似工程的建設提供參考。

1 工程概況

旁多水利樞紐工程為拉薩河中段梯級開發之首，是西藏自治區“十一五”重點水利建設項目，是一座以灌溉、發電為主，兼顧防洪和供水等綜合利用的大型水利樞紐工程。水庫死水位4 066.0 m，正常蓄水位4 095.0 m，總庫容1.23×109m3，電站裝機容量160 MW。

灌溉輸水洞設計引用流量10 m3/s，運行水位區間為4 066.0～4 095.0 m，主要承擔為65 km外林周縣澎波灌區15 446.67 hm2農田灌溉供水的任務。輸水洞采用豎井式有壓進水口，無壓輸水段，其中，進口底板高程4 061.6 m，進口有壓洞長19.25 m，寬3.0 m，末端由4.0 m長的漸變段與高40.5 m的閘門豎井相連，平板事故鋼閘門，弧形工作鋼閘門。弧形工作閘門平直段后設矩形斷面下挖式消力池，以1∶4斜坡與進口底板相連，采用底流消能工的布置型式，消力池長27.6 m，深2.6 m，采用現澆鋼筋混凝土結構。消力池出口由長10 m的漸變段與下游無壓隧洞相連，隧洞全長16.813 km，縱坡0.1%。

由于輸水洞設計引用流量較小（10 m3/s），水頭較高且變幅大（變化區間4.4～33.4 m），庫水位的變化對隧洞內的水流流態影響很大。為防止庫水位的變化引起水流悶孔，對工程運行造成不利影響，需要通過水力學模型試驗來確定消能方式及消能工尺寸。

2 模型設計

模型設計遵循重力相似準則，同時應滿足水流紊動阻力相似。結合建筑物尺寸、試驗場地規模、選用的試驗材料及可能出現的比尺效應，模型幾何比尺確定為1∶15。輸水洞模型布置見圖1。

除上游庫區地形及引水渠段采用水泥砂漿抹面外，模型其它各部分均采用有機玻璃制作，經率定，能夠滿足相似要求。

3 消能工優化

經過多次的試驗對比和觀察發現，庫水位4 095.0 m為工程正常運行時影響消力池的最不利工況，因此，選擇此工況進行消能工比選試驗。

3.1 原方案試驗

原方案消力池體型見圖2。

庫水位為4 095.0 m時，閘門出口平均流速約20.00 m/s，最大流速為24.60 m/s，水流在離開水平段進入斜坡段時即產生射流，射流水平長度約7.0 m，可近似認為入水點為水躍躍首，躍前水深約1.9 m，流速最大值約7.27 m/s；躍后水深約4.6 m，流速最大值從底至表分別為0.71，1.05，2.91 m/s；躍長約18.0 m。同時，由于水流的脈動作用，水躍伸縮范圍約1.0 m。

由于射流入水時對斜坡的沖擊較大，不利于工程安全，且斜坡水躍的躍首伸縮具有不穩定性，為保證閘門運行安全，改善入池水流的流態，以確保消力池在正常運行時的安全，需要對其體型進行修改。

3.2 修改方案試驗

修改方案首先對消力池首部連接的擴散斜坡段體型進行修改，以消除射流狀態，改善躍首位置及消力池水流流態。經過多種方案的對比試驗研究，最終提出了一種比較經濟合理的消能設施—反坡式臺階坎底流消能工。

修改方案布置如下：將消力池進口底板向下游延長2.85 m，過渡段的1∶4斜坡兩端分別通過半徑15.0 m，圓心角為14°的圓弧與進口底板和消力池底板相連，過渡段水平長14.1 m，消力池進口底板高程4 061.6 m；消力池長21.05 m，深2.6 m，尾部改為反坡式臺階坎，第一臺階起點距消力池出口10.0 m，水平長度1.8m，頂高程4 059.8 m；第二臺階起點距消力池出口8.2 m，止于消力池出口斷面，起點頂高程4 060.8m，終點頂高程4 061.6 m（圖 3）。

同樣在庫水位4 095.0 m時，水流出閘門后，貼坡面進入消力池，射流現象完全消除。水躍向下游推移，其中，躍首向下游推移約1 m，躍前水深約0.8 m，流速最大值為22.94 m/s；躍尾向下游推移約5.0 m，躍后水深約4.7 m，流速最大值自底至表分別為 2.30，2.01，1.92 m/s；躍長約 21.0 m。同時，水躍基本達到穩定狀態，其前后1.0 m的伸縮現象基本消失，水流出消力池后與下游能夠平順連接，可以保證無壓洞的安全運行。

4 結果分析

4.1 消力池體型

試驗結果表明，下挖式消力池能較好地解決無壓輸水洞洞內消能問題。

原方案之所以會在閘門出口的水平段末端產生射流，主要是輸水洞處于高水位、小開度的運行狀況時，閘門出口水流流速較高，而水平段較短，且體型突變較大，引起水流脫離邊界。消力池中水躍躍前斷面平均流速超過16~18 m/s（平均值為21.04 m/s，最大值達到 22.94 m/s），池內不宜設趾墩、消力墩等輔助消能工。同時，對體型的修改仍需考慮施工難易程度，以盡量簡單的體型解決問題。工程處于高海拔的西藏地區，施工及運行后的維護工作更是具有相當的難度。經過多種方案的對比試驗，最終選用了修改后的體型，成功地解決了問題。

試驗與計算表明，洞內消力池的型式與一般底流消能的消力池相同，其消力池的池深與池長可按一般消力池進行水力設計。

4.2 消能效率

消力池段消能效率計算采用水躍段消能效率計算公式：

式中：Ej為消力池段（水躍段）的消能量；E1，E2分別為躍前、躍后斷面的總能量；h1，h2分別為躍前、躍后斷面的水深；v1，v2分別為躍前、躍后斷面的平均流速。

經計算，原方案消力池段消能效率很低為14.62%，主要因為水流的絕大部分能量在射流沖擊斜坡入水時被消散，導致消力池未能得到充分利用。修改方案消能效率為77.66%，有效地利用了水躍消能。

4.3 涌浪高度

原方案無壓洞內的最大涌浪高度為0.50 m，已經超過直墻范圍，且偶爾會出現較大的沖擊波敲擊洞頂的現象。造成這種現象的主要原因是在水流的脈動作用下，水躍在消力池前后1.0 m的范圍伸縮，導致出消力池后可能產生較大的涌浪，涌浪過大則不利于無壓洞的運行安全，SL279-2002《水工隧洞設計規范》規定“采用圓拱直墻形斷面時，水面線不宜超過直墻范圍”。

通過反坡式臺階坎的調節，最大涌浪高度減小0.25 m，未超出直墻范圍，且較大的沖擊波消失，滿足了安全運行的要求。

5 結語

無壓隧洞洞內消能，關鍵是在消能段消除來流的多余能量，保證洞內不出現明滿流交替的現象。同時，由于高水頭的巨大能量在通過洞內消能工時被消殺，僅部分動能傳至下游，對改善下游水流流態，保護下游環境，保障下游邊坡穩定等方面均有積極作用。

洞內消能工遭受高速水流作用的區域主要在閘門出口至消力池中水躍躍首的較小范圍，可采用可靠的結構措施和精細的防護來解決高速水流帶來的問題。而在滿足消能防沖要求，確保工程安全的情況下，則應盡量使消能工的體型簡化，以利施工及運行后維護工作的進行。

由于洞內消能實踐運行經驗尚較少，今后需結合實際工程進行進一步的理論和試驗研究，并積極開展原型觀測，以驗證設計理論和方法，指導工程實踐。

［1］金哲．無壓隧洞內消能工湍流數值模擬研究［D］．烏魯木齊：新疆農業大學，2007.

［2］路澤生，花立峰，徐自立．甘肅引洮供水工程洞內消能問題的試驗研究［J］．水利與建筑工程學報，2006，4（2）：37-40.

［3］邱秀云，侯杰，王錕．無壓隧洞洞內消能試驗研究［J］．新疆農業大學學報，2004，27（3）：62-65.

［3］SL155-95，水工（常規）模型試驗規程［S］．北京：中國水利水電出版社，1995.

［4］SL253-2000，溢洪道設計規范［S］．北京：中國水利水電出版社，2003.

［5］SL279-2002，水工隧洞設計規范［S］．北京：中國水利水電出版社，2003.

［6］吳持恭．水力學（第三版）［M］．北京：高等教育出版社，2003.

［7］武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室．水力計算手冊（第二版）［M］．北京：中國水利水電出版社，2006.

［8］趙秀鳳．南水北調西線一期工程阿安引水隧洞洞內消能水工模型試驗研究［J］．河南水利，2006（3）：33-34.