水工隧洞流態問題研究

□ 朱烜東 □ 郭世興 □ 劉永峰

（1三門峽市水利勘測設計有限責任公司 2陜西水利電力勘測設計研究院）

0 前言

隧洞是常見的水工泄水建筑物，由于隧洞工程工序多、技術復雜，且工作面有限，受圍巖影響施工困難，在水利工程中常為控制性工程。合理的洞線布置和洞身尺寸及襯砌計算對工程規模和投資及工期的影響很大，了解隧洞內的流態隨流量的變化是隧洞設計的依據。文章結合龍潭水庫導流泄洪洞水力學模型試驗，對無壓隧洞中存在的彎道高速水流問題，提出切合實際的工程解決方案，并通過模型試驗來驗證。

1 工程概況

銅川市耀州區龍潭水庫位于石川河右岸一級支流趙氏河上游，控制流域面積161km2，水庫工程任務是工業供水。壩址多年平均徑流量1304萬m3，樞紐采用均質土壩和明流泄洪洞，正常蓄水位為711.60m，死水位為701.24m，則水庫調節庫容為598萬m3，水庫多年平均供水量為505萬m3，供水方式采用庫內浮船泵站抽水。

導流泄洪洞布置在河道右岸，洞身全長492m，分別由進口進水塔段、洞身段、出口消能段組成。進口底板高程為680m，斷面為圓拱直墻型，尺寸為4.50m×7.30m，直墻高度6.00m，拱高 1.30m，半徑 2.60m，洞身全長 492m，底坡為1/100，樁號0+107.097m～0+135.60m為彎道段，轉彎半徑為50m，轉角為32°39′，出口段采用挑流鼻坎消能。

水庫泄洪洞滿足現行設計手冊和規范“對于流速<20m/s的無壓隧洞，彎曲半徑≥5.00倍洞寬，轉角≤60°”的要求。但為確保工程的安全運行，對泄洪洞在不同工況下的水流流態、泄流能力、彎道水流等進行了系統的模型試驗研究，對存在的彎道水流問題結合試驗給出工程解決方案。

2 流態、泄流能力及彎道水流

2.1 庫水位與流量系數關系

泄洪洞試驗模型選用幾何比尺為1:36，洞身段用無色有機玻璃制成。經實測數據計算，閘門全開，庫水位低于685.15m時進水口水流流態為堰流，堰流綜合流量系數為0.32～0.34；庫水位在688.93～720.46m時水流流態為有壓孔流，孔流系數為0.56～0.864；庫水位在685.15～688.93m時為明流向孔流的過渡區，流量系數（半有壓流）介于兩者之間，和利用水力學公式計算的流量系數基本一致。庫水位為設計洪水位714.76m時，泄洪洞實測下泄流量Q=321.55m3/s，較原設計值Q=322.0m3/s小0.14%；庫水位為校核洪水位719.94m時，泄洪洞實測下泄流量Q=343.34m3/s，較原設計值Q=346.74m3/s小0.98%，說明試驗得到的泄洪洞泄流能力與原設計計算成果相同。

2.2 彎道水流流態

由于泄洪洞在0+107.097m以后有28.50m的彎道段，水流受慣性及離心力的作用，內彎處水位低、外彎處水位高，在彎道處產生水位差，且差值隨著庫水位的升高而增加，試驗實測彎道外側與內側水深及水位差隨庫水位變化曲線見圖1。

由圖1可知，當下泄流量不超過277m3/s時，彎道外側水深在導流泄洪洞直墻高度6.00m以內，該流量占隧洞最大下泄流量346.7m3/s的80%。當流量超過277m3/s時，彎道外側水深將超過6.00m，水流翻越洞頂，并在下游直洞段產生嚴重的折沖水流。

圖1 模型實測水庫水位與彎道內外側水深關系曲線圖

從試驗可看出，在高水位時彎道段流態差，采用抬高外側底板高程的方法，不會降低外側水面高度，反而會影響其過流流態、減少過水斷面面積。當通過用閘門開度控制洞內的下泄流量且流量不超過277m3/s時，洞內和彎道段的流態都有明顯的改善。

2.3 彎道段洞內壁面的脈動壓強

深孔泄流隧洞在上下游水位差較大時，產生高速水流，發生壓強脈動、氣蝕、摻氣、波浪等問題，由于測壓管僅能測量水流的時均壓強，為了掌握彎道水流的脈動壓強，了解隧洞瞬時所受的脈動壓強及脈動頻率等參數，沿彎道水流的軌跡在折沖區域及底板、頂板布置了脈動壓強測點，采用壓力傳感器測量、DJ800型水工數據采集系統采集數據。本次脈動壓強振幅按重力相似準則引申至原型、頻率按斯特魯哈（Strouhal）移置。

通過試驗測量，閘門3.20m全開彎道不加斜導流坎彎道段脈動壓強在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位等運行水位的最大脈動值為22.44kPa。閘門2.80m開度彎道不加斜導流坎運行水位最大脈動值為31.86kPa；閘門2.80m開度彎道加矩形斜導流坎的運行水位最大脈動值為142.59kPa；閘門2.80m開度彎道加梯形斜導流坎的運行水位最大脈動值為79.74kPa。故彎道段加矩形斜導流坎坎高0.25m方案的脈動壓強值最大，加梯形斜導流坎坎高0.25m方案的脈動值次之，不加斜導流坎脈動壓強值相對較小。從閘門開度2.80m、彎道正中不加斜導流坎設計水位時的自功率譜圖和測點波形圖可看出，脈動壓強的優勢頻率量測數據均小于1Hz，說明彎道水流的脈動壓強屬于低頻。

3 改善洞內流態的工程方案

導流泄洪洞彎道段設計雖然滿足規范要求，從模型試驗可看出，庫水位705.34m時，下泄流量為277m3/s，彎道外側水深達到6m。隨著庫水位的繼續升高，外側水面超過直墻到達洞頂，彎道內外側最大的水面差值為6.25m，水流翻越洞頂，流態惡化。彎道下游直線段折沖水流明顯，且設計、校核水位下的洞內摻氣水深均超過凈空要求值，凈空面積只有（12.89～12.93）%。為了解決已成隧洞存在的問題，根據工程實際擬定以下幾種解決方案。

3.1 導流泄洪洞前壓后明方案

該方案于導流泄洪洞0+215.60處設豎井，豎井位置位于彎道后80m處，將洞身分為前后兩段，前段為壓力洞，后段為明流洞。優點是僅在原洞線路上設豎井，對豎井前部分洞段進行改造，使洞內水流由原設計無壓流變為壓力流狀態，可徹底解決豎井前彎道段水流紊亂狀況。缺點是需在彎道后新建豎井，需拆除原洞身建工作弧門閘室，豎井工程量大。

3.2 左岸泄洪放水洞與右岸導流泄洪洞聯合泄洪方案

根據模型試驗建議當下泄流量不超過277m3/s時，彎道外側最大水深在導流泄洪洞直墻高度6.00m以內，水流條件明顯改善，同時洞身斷面滿足凈空要求。該方案不改變水庫的特征水位和規模，保持原校核洪水位719.94m。導流泄洪洞開度2.80m，在左岸設置泄洪放水洞（壓力洞）洞徑D=3.50m時，兩洞聯合運行滿足原水庫設計的下泄量要求。

該方案優點是運用靈活，對大壩安全保障程度高，可以承擔宣泄部分洪水。同時，泄洪放水洞經常參與泄洪，可以保證進口的“門前清”，滿足供水管道的引水流量。缺點是費用高，泄洪放水洞施工工期較長。

3.3 泄洪洞彎道改建方案

改建方案擬采用加大轉彎半徑方法，將彎道側向水深限制在洞身直墻高度以內。當R=120m時，洞內水深基本滿足要求，但需拆除已成隧洞70m。

該方案優點是能充分發揮導流洞的泄流能力，不需要增設新的建筑物，工程運用仍按原導流泄洪洞設計方案進行，改造費用較低。缺點是需在洞內拆除混凝土，拆除過程中可能對上下游已成洞身混凝土造成傷害，且施工難度大。

3.4 導流泄洪洞壓閘控制下泄流量方案

根據模型試驗，當導流泄洪洞下泄流量<277m3/s時，彎道段洞內最大水深基本限制在洞身直墻段高度以內，洞內水流狀態明顯改善，同時洞身斷面滿足凈空要求。當校核洪水過程時，泄洪洞開度2.80m，最高洪水位720.86m，最大下泄流量為266.70m3/s，滿足下泄流量<277m3/s的要求。

該方案雖然洞內水流流態未得到徹底改善，但泄洪時洞內未測到負壓，脈動壓力也不大，洞內凈空滿足要求，汛期僅需壓閘限泄運行即可滿足要求，樞紐布置和運用仍維持原方案不變。缺點是校核水位略高于原方案，可通過適當增加水庫防洪庫容達到減小下泄流量目的，但增設防浪墻可有效解決。

3.5 方案的采用

由模型試驗可知，泄洪洞彎道段在流量超過277m3/s時流態惡化，水流在隧洞內翻滾越過洞頂，并在彎道段后的直線段產生折沖水流。通過擬定的以上四種方案優缺點分析，結合水工模型試驗，考慮工程實際、施工、經濟等各方面因素，最后推薦采用經濟合理的導流泄洪洞壓閘方案。

4 結語

龍潭水庫已成導流泄洪洞滿足現行規范的要求，通過水工模型驗證，計算的隧洞泄流量和試驗值一致，但洞內流態隨著水位升高惡化。為了改善洞內流態，通過導流泄洪洞前壓后明、新建左岸泄洪放水洞、加大轉彎半徑改建彎道、泄洪洞壓閘控制下泄流量等設計方案的比較和試驗驗證，考慮工程實際、施工、經費等各方面因素，最后推薦采用經濟合理的導流泄洪洞壓閘方案，對存在的無壓隧洞彎道段的高速水流問題進行了系統研究并合理解決。

[1]張宗孝.龍潭水庫泄洪洞水工模型試驗[R].西安理工大學，2011.

[2]李煒.水力計算手冊（第二版）[M].北京:中國水利水電出版社，2006.