引水隧洞進口明滿流數值模擬

陳桂友 趙青 穆仁會

摘要：以雪山水庫引水壩調洪演算成果和工程投資估算為依據，擬定引水隧洞斷面尺寸和引水壩水位，校核水位2 449.99 m時，引水隧洞出現了明滿交替流流態。采用有限體積法，運用計算流體力學數值模擬軟件FLUENT對不同進水口型式的引水隧洞進口段進行數值模擬。在此基礎上，比較引水隧洞在明滿流流態下不同進水口型式的洞內脈動壓強和水流速度沿水流方向變化情況，分析得出喇叭型進水口可更好的改善過流條件，減小明滿流的不利影響。

關鍵詞：引水隧洞；明滿流；數值模擬；FLUENT；脈動壓強

中圖分類號：TV314 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0163-05

Abstract：Based on flood routing result and construction investment estimation of Xueshan Reservoir，the facture surface size of the diversion tunnel and the front water of diversion dam were proposed.The diversion tunnel presented a kind of flow which was the first mixed free-surface pressurized flow at maximum flood lever of 2 449.99 m.The diversion tunnel inducer of different water inlet styles was modeled by the CFD numerical software FLUENT.By analyzing the dynamic pressure and flow velocity in the case of this water flow along the diversion tunnel，the results indicated that the bell-mouth inlet could better improve the flow condition and reduce the negative impact of mixed free-surface pressurized flow.

Key words：diversion tunnel；mixed free-surface pressurized flow；numerical modeling；FLUENT；dynamic pressure

水利不僅是農業的命脈，而且是整個經濟、社會發展的基礎設施和基礎產業，是治國安民的大事[1]。在水利行業的發展中，水工引水隧洞、水電站尾水洞出現了明滿流[2-7]流態。明滿流，是非恒定流[8]中的一種特殊流態，該流態是一種進口常伴隨有吸氣漩渦現象，在隧洞內夾雜有不穩定氣囊使得隧洞內出現有壓與無壓周期性變化的不穩定狀態，在水工隧洞、水電站尾水洞中均有可能發生[9]。我國鹽鍋峽導流底孔因為出現明滿流，將3.0 m厚的混凝土墩穿透；印度巴克拉壩右岸導流洞出現明滿流，沖毀閘門室和隔墻，造成廠房被沖毀，等等。明滿流會對隧洞產生空蝕、振動和沖擊破壞，形成的脈動壓力關系到隧洞的穩定性分析，在水工設計和運行中，一般都是不允許這種流態出現的。如何保證隧洞的安全問題已成為一個重要課題，研究隧洞的水力特性和穩定性[10]具有重要的現實意義?？v觀隧洞穩定性分析的發展歷程，很多方法都沒有從本質上解決問題，論文以雪山水庫引水隧洞為例，運用計算流體力學數值模擬軟件FLUENT模擬分析引水隧洞在出現明滿流時洞內水流脈動壓強和流速沿水流方向變化情況，明確隧洞在明滿流時的水力特性。

1 工程概況

我省威寧縣處于高寒地區，水資源嚴重匱乏且空間分布不均。隨著社會經濟發展，各行業對水的需求量有所提高，原有雪山水庫蓄水不能滿足當地農業灌溉和人畜飲水的需求。為了滿足人畜飲水及農業生產要求，采取了引水（拖洛河右岸一級支流部分水資源）入庫的方法，設計采用以需定供方式。引水隧洞設計綜合考慮地形地質條件和經濟投資，初擬隧洞底寬進行調洪演算。在最大引用流量時，水流出現了第一類明滿交替流[11-15]。本文運用計算流體力學數值模擬軟件FLUENT[16-18]對一般進水口和喇叭形進水口兩種不同進水口型式的引水隧洞進行數值模擬，分析比較在明滿流流態下，不同進水口型式引水隧洞內水流脈動壓強和流速的沿程變化情況，最后分析得出明滿流的運動規律。

1.1 斷面尺寸擬定

引水隧洞建于引水壩左岸，進口底板高程與引水壩正常蓄水位同高2 445.00 m，設計采用以需定供的方法來設計引水隧洞尺寸，以引水壩正常蓄水位2 445.00 m為起調水位，初擬底寬3.6 m、2.6 m、2.4 m和2.0 m進行調洪演算，調洪演算結果如表1至表4。

引水壩防洪標準與雪山水庫主壩一致，設計水位洪水標準取30年（P=3.33%），校核水位洪水標準取300年（P=0.33%）。根據以上調洪演算結果可見，底寬由3.6 m減小至2.0 m時引水壩上游校核水位分別為2 447.91 m增加到2 449.99 m，對引水工程的水位有一定影響，使得引水壩壩高也相應增大，從這個意義上說，隧洞底寬應取大值。但是綜合考慮引水隧洞和引水壩總投資，經過初步估算，底寬由3.6 m減小至2.0 m時，總投資由1.21億元降低至1.13億元。由此可見，底寬越小，工程投資越小，在底寬為2 m時，最大泄量滿足所需引用流量28 m³/s，因此選擇了施工最小斷面2 m底寬作為引水隧洞的底寬，此是相應的上游校核水位為2 449.99 m，設計水位為2 447.78 m。經過分析比較，最后選用城門洞型隧洞，底板寬2 m，邊墻高1.8 m，頂拱直徑為2 m，相應的半中心角為90°，隧洞底坡坡降為0.006。

1.2 水流流態分析

根據《水力計算手冊》第二版第七篇水工隧洞的水力計算，隧洞水流的流態分為有三種：有壓流、無壓流和半有壓流，半有壓流又分為頭部水流封閉而洞身為無壓流和洞身前半部為有壓流后半部為無壓流的兩種半有壓流狀態[19]。

對隧洞底坡的判別，可設無壓均勻流水深h0趨于洞高a，求此時的流量，繼而求出臨界水深hk，當h0>hk為緩坡，反之為陡坡。引水隧洞校核水位為2 449.99 m，設計水位為2 447.78 m，底板高程為2 445.00 m，隧洞縱坡i=0.006，糙率n=0.015。

從表5可以看出，引水隧洞在上游水位為校核水位時，洞內水流為半有壓流，即明滿流狀態，當上游水位為設計水位時，洞內水流為無壓流狀態。

2 明滿流數值模擬

針對引水隧洞在校核水位時出現的明滿流流態，采用計算流體力學（CFD）數值模擬軟件FLUENT模擬分析引水隧洞在明滿流流態下的脈動情況，建立兩種不同進水口型式隧洞進口段模型，通過模擬計算結果分析得出運動規律。

2.1 引水隧洞進水口模型建立

如前分析所得，隧洞為洞身斷面尺寸為2×2.8 m的城門洞型，坡降為0.006的緩坡，在校核水位2 449.99 m時出現明滿流，為分析不同的進口型式對明滿流流動的影響，此次分析建立兩種不同型式的隧洞進水口沿水流方向取0+000.00～0+175.00段進行數值模擬：（1）進水口不做倒圓等其他處理，保持與隧洞洞身段一致的斷面尺寸，沿水流方向均為等截面的模型。（2）進水口采用頂面和兩側面收縮，兩邊側墻曲線為直徑是7 m的1/4圓，頂面收縮采用1/4橢圓，短軸同洞寬2 m，長軸為6.78 m，后接城門洞型洞身段。

2.2 引水隧洞進口段模擬成果分析

通過GAMBIT建模導入FLUENT，在設定進邊界條件后，選用非定常模型（湍流模型為標準模型），對上述兩種不同進水口型式的引水隧洞進口段進行解算。

對一般進水口型式，選取0+003.39、0+050.00、0+100.00、0+150.00、0+200.00、0+241.00幾個典型橫剖面和引水隧洞縱剖面；對喇叭形進水口型式，選取0+003.39、0+050.00、0+100.00、0+150.00、0+175.00、0+241.00幾個典型橫剖面和引水隧洞縱剖面繪制脈動壓強分布的等值線圖、云墻圖分別如圖1、圖2。

繪制一般進水口和喇叭形進水口型式兩種不同進水口型式下，隧洞各個典型剖面最大流速沿水流方向曲線變化圖見圖3。

在上游校核水位時，隧洞內水流流態為明滿流，一般進水口型式和喇叭形進水口型式脈動壓強分布分別如圖1和圖2，結合各截面最大速度分布圖進行綜合分析可知如下結果。

（1）當進水口為一般進口型式時，最大脈動壓強值出現0+075.00斷面壓強值為20.8 MPa；當為喇叭形進口型式時，沿水流方向最大脈動壓強值出現在0+082.00斷面壓強值為19.4 MPa，但在喇叭形進口接城門隧洞處兩側壁面，出現局部增大現象，最大動壓為大小為23.6 MPa。比較最大脈動壓強值大小可知，在明滿流工況下，采用喇叭形進水口可減小脈動壓強，但是在與洞身連接處出現局部增大現象。

（2）不同進水口型式下，引水隧洞同一橫截面的速度都是從隧洞中心向底板、側墻逐漸減小，符合水流粘滯性規律。一般進水口型式時最大流速6.45 m/s，喇叭形進水口型式時最大流速為6.3 m/s，由《水力計算手冊第二版》[14]第二篇可知，對于現場澆筑的混凝土防滲襯砌結構，其允許不沖流速為8 m/s，上述模擬結果均在允許范圍之內。

（3）隧洞為喇叭形進水口型式時，沿水流方向最大速度在0+000.00～0+003.39段，最大流速急劇增大，在0+003.39～0+010.00段又急劇減小，在0+010.00～0+030.00段、0+030.00～0+075.00段增大，在0+075.00后略有降低，在0+125.00后趨于穩定，出現這樣的趨勢，其原因分析如下：在0+000.00～0+003.39段，由于喇叭形進口采用兩側和頂面收縮，斷面面積收縮比較大，根據連續性方程可知，速度增大較快；在0+003.39～0+010.00段，雖然由于水位降落速度增加，但是在喇叭形進水口和城門隧洞連接處水流脈動較強，其作用大于由于水位降落對流速的改變，呈現出速度下降趨勢；在0+010.00～0+075.00段，湍動強度減小，由于水流湍動對速度變化影響小于水庫水位降的影響，速度開始慢慢回升；0+075.00時，水流收縮至最小水深，后出現雍水曲線流速減小，至最后斷面水深趨于穩定后，流速也趨于穩定，出現了圖示規律。

3 結論

（1）在校核水位時上游水深已超過隧洞頂，但又沒有足夠淹沒水深保證隧洞為有壓時形成明滿流，采用喇叭型進水口可使洞內水流更加平順，減小水流渦量、脈動壓強，進而減小了明滿流的不利影響。

（2）在明滿流時水流湍動強烈，隧洞的底板和洞壁面出現局部負壓，隧洞出現這樣的水流流態且長時間處于這種工作狀態，會對底板和襯砌造成不利影響，給水工建筑物的運行帶來很大的安全隱患。在工程中應更好的合理利用地形和地質條件，盡量避免明滿流的出現。

（3）通過模擬得出明滿流時洞內脈動壓強的分布情況，在后期隧洞穩定性分析中對內水壓力的把握更加準確，并可用于指導后期施工。

（4）雖然喇叭形進水口可使得洞內水流更加平順，減小了脈動壓強，但是在與洞身連接處出現局部增大現象，施工中應做好相應部位加固處理。

參考文獻（References）：

[1] 國家自然科學基金委員會.自然科學學科發展戰略調研報告—水力科學[R].北京：科學出版社，1994.（The National Natural Science Fund Committee.Strategic Research on Natural Science Disciplines：Water Conservancy[R].Beijing：Science press，1994.（in Chinese））

[2] 孫詩杰.實用水力過渡過程介紹[J].四川水力發電，1986（1）：16-22.（SUN Shi-jie.Applied Hydraulic Transients[J].Sichuan Water Power，1986（1）：16-22.（in Chinese））

[3] 周玉國，楊建東.尾水洞明滿混合流的數值模擬[J].中國農村水利水電，2009（12）：123-126.（ZHOU Yu-guo，YANG Jian-dong.The Numerical Modeling in Tailrace Tunnel with Mixed Free-surface Pressurized Flow[J].China Rural Water and Hydropower，2009（12）：123-126.（in Chinese））

[4] 陳楊，俞國青.明滿流過渡及跨臨界流一維數值模擬[J].水利水電科技進展，2010（01）：80-84，94.（CHEN Yang，YU Guo-qing.One-dimensional Numerical Simulation of Transcritical Flows and Transition between Free Surface and Pressurized Flow [J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2010（01）：80-84，94.（in Chinese））

[5] 李輝，陳乃祥，樊紅剛，等.具有明滿交替流動的三峽右岸地下電站的動態仿真[J].清華大學學報：自然科學版，1999（11）：29-31.（LI Hui，CHEN Nai-xiang，FAN Hong-gang，et al.Transient simulation with MFSPF for right bank underground hydropower station of the Three Gorges [J].Journal of Tsinghua University：Science and Technology，1999（11）：29-31.（in Chinese））

[6] 漆力健.大底坡泄洪管道明滿流的水力特性[D].成都：四川大學，2005.（ QI Li-jian.Hydraulic Characteristic of the Free-surface-pressure Flow in the Outlet Pipeline with Steep Base Slope[D].Sichuan University，2005.（in Chinese））

[7] 楊開林.明渠結合有壓管調水系統的水力瞬變計算[J].水利水電技術，2002（4）：5-11.（YANG Kai-lin.Simulation of hydraulic transients in water diversion projects with open channels and pressurized pipelines[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2002（4）：5-11.（in Chinese））

[8] 清華大學水力學教研組.水力學1980年修訂版[M].北京：人民教育出版社，1981.（Hydraulics research group of Tsinghua University.Hydraulics 1980 revised edition [M].Beijing：Pople′s Education Press，1981.（in Chinese））

[9] 陳楊.明滿流過渡及跨臨界流的數值模擬[D].南京：河海大學，2006.（ CHEN Yang.Numerical Modeling of Transition between Free Surface and Pressurized Flows，and Transcritical Flow [D].Nanjing：Hohai University，2006.（in Chinese））

[10] 廖曉昕.穩定性的理論、方法和應用[M].武漢：華中理工大學出版社，1999.（LIAO Xiao-xin.The Stability of the Theory，Method and Application[M].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，1999.（in Chinese））

[11] 汪俊，桂林.有壓輸水管道中明滿流產生與進口段布置的關系探討[J].四川水利，2007（4）：32-34.（WANG Jun，GUI Lin.The Discuss on Pressure Water Pipe by the Relationship with Produce Free-surface-pressure Flow and Import Section Layout [J].Sichuan Water Resources，2007（4）：32-34.（in Chinese））

[12] 丁振華，許景賢.導流洞改作發電尾水洞過渡過程中明滿流的數學模型[J].水利學報，1996（9）：1-10.（DING Zhen-hua，XU Jing-xian.A Mathematical Model for Simulation of Transient Flow in Tailrace Tunnel Transformed from Diversion Tunnel [J].Journal of Hydraulic Engineering，1996（9）：1-10.（in Chinese））

[13] 許景賢，丁振華.導流洞改作水電站尾水洞過渡過程明滿流機理[J].天津大學學報：自然科學版，1996，29（5）：664-672.（XU Jing-xian，DING Zhen-hua.The Mechanism of Simulation of Transient Flow in Tailrace Tunnel Transformed from Diversion Tunnel [J].Journal of Tianjin University：Science and Technology，1996，29（5）：664-672.（in Chinese））

[14] 陳剛，周建旭，胡明.尾水洞出現明滿流的水電站小波動穩定性分析[J].水利水電科技進展，2011，31（3）：70-73.（CHEN Gang，ZHOU Jian-ming，HU Ming.Stability Analysis of Small Fluctuation for Hydropower Stations with Free-surface-pressurized Flows in Tail Tunnels [J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2011，31（3）：70-73.（in Chinese））

[15] 李學海，李蘅，石教豪.陡坡隧洞明滿交替流成因及改善措施[J].長江科學院院報，2013（8）：40-45.（LI Xue-hai，LI Heng，SHI Jiao-hao.Causes and Control Measures of Mixed Free-Surface-Pressure Flow in Steep-slope Tunnel [J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2013（8）：40-45.（in Chinese））

[16] 吳子牛.計算流體力學基本原理[M].北京：科學出版社，2001.（WU Zi-niu.The Basic Principle of Computational Fluid Dynamics[M].Beijing：Science Press，2001.（in Chinese））

[17]鄭邦民，趙昕.計算水動力學[M].武漢：武漢大學出版社，2001：103-114.（ZHENG Bang-min，ZHAO Xin.Calculation Hydrodynamics [M].Wuhan：Wuhan University Press，2001：103-114.（in Chinese））

[18] 朱紅均，林元華，謝龍漢.FLUENT12流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學出版社，2011.（ZHU Hong-jun，LIN Yuan-hua，XIE Long-han.FLUENT12 Fluid Analysis and Engineering Simulation [M].Beijing：Tsinghua University Press，2011.（in Chinese））

[19] 李煒.水力計算手冊[K].第二版，北京：中國水利水電出版社，2006.（LI Wei.Hydraulic Calculation Manual[K].The Second Edition：Beijing：China Water Power Press，2006.（in Chinese））

[20] 唐澤眉.隧洞（涵管）中流態轉換的試驗研究[M].北京：清華大學，1965.（TANG Ze-mei.Experimental Study on the Flow Regime on Tunnel （Culvert）[M].Beijing：Tsinghua University，1965.（in Chinese））