高水頭泄洪洞體型優化及摻氣特性研究

0 引言

高水頭泄洪洞通常水頭高、隧洞長、運行水頭變幅大，其高速水流的空化空蝕問題突出，必須設置強制摻氣設施，保證水流摻氣，從而減少空蝕破壞[1]。張立恒等[2]通過試驗指出，摻氣空腔回水深度主要與空腔末端射流沖擊角有關，當沖擊角大于9^° 時，空腔開始積水。而對于低 Fr 數、緩底坡的泄洪洞，由于緩坡條件下水流入射角角度一般大于形成空腔積水的臨界值，摻氣空腔易積水阻塞、摻氣流態差，嚴重影響摻氣效果[3-5]。諸多學者[6-10]針對緩底坡條件下摻氣坎布置型式及摻氣效果開展了大量研究和評估，但不同水利工程的水流條件不同，保障緩底坡隧洞摻氣設施的摻氣效果穩定性仍是目前的工程難題。

新疆和田玉龍喀什水利樞紐工程中孔泄洪洞最大運行水頭 80m ，下泄流量 1020m³/s ，閘門孔口流速為33m/s ，明流段流速超過 30m/s ，挑坎段最大流速近45m/s ，壩址處大氣壓僅為常壓下的 78% 左右，高速水流的空化空蝕問題顯著。原設計方案“短有壓 + 緩底坡”布置存在摻氣設施效果不佳及水翅沖擊洞頂等問題，本研究通過改進隧洞體型布置，探索更有效的解決方案，以提高摻氣設施的穩定性和泄洪安全性，為類似高水頭泄洪洞設計工程提供參考。

1原方案泄洪洞體型布置

中孔泄洪洞原方案總體上采用“短有壓洞 + 緩底坡長無壓洞”布置形式（圖1），主要由引渠段、喇叭口段、有壓洞身段、有壓洞出口漸變段、閘門井段、無壓洞進口漸變段、無壓洞身段，泄槽段、挑流鼻坎段和護坦段等組成。有壓洞段總長 61m ，無壓洞段總長 513m ，其中上游端 15m 為漸變段，中間無壓洞身段長471.63m （縱坡坡度 ），泄槽段長 81.58m （坡度 i=0.4 ）。

根據明流洞段水流流速初步計算結果，無壓洞段及泄槽段水流流速均超過了 30m/s 。為避免高速水流對洞壁的空蝕破壞，中孔泄洪洞沿程共布設7級摻氣設施，其中無壓洞內每隔 100m 布置一道摻氣坎，泄槽渥奇曲線段在下游布置一道摻氣坎。各級摻氣坎體型參數見表1和圖2。摻氣設施的設計要求是在大水位變幅條件下摻氣坎后均能形成穩定的摻氣空腔，促使水流底部持續摻氣，從而保護泄洪洞的運行安全。

為探究上述布置方案下中孔泄洪洞沿程水力特性及摻氣效果，同時滿足SL155－2012《摻氣減蝕模型試驗規程》要求，依照重力相似準則進行設計并建造了 1：25 大比尺正態水工單體模型。模型全長約50m ，最大高約 8m ，最大試驗流量約 320L/s 。模擬范圍包括上游水庫，中孔泄洪洞進口邊界及引渠段、有壓洞段、明流洞段和泄槽段。模型泄洪洞主體采用鋼結構支撐。為便于觀察水流流態和安裝測量儀器，泄洪洞流道采用有機玻璃制作。針對 2120.0～2170.0m 范圍的特征庫水位閘門全開運行工況開展了試驗研究。

2“短有壓 + 緩底坡長無壓\"隧洞體型水力特性

2.1 流態特性

在“短有壓 + 緩底坡長無壓”布置下，中孔泄洪洞沿程流態問題突出： ① 有壓洞出口下游明流洞段出現間歇性的非對稱水翅沖擊波，局部區間有水翅沖擊洞頂，見圖3（a）； ② 由于明流段底坡較緩，各摻氣設施前后水面跌落較大，洞內沿程水面高低起伏較明顯，在非對稱沖擊波的疊加作用下，水流進入無壓段后易形成水翅、沖擊波，明流洞內水流表層不對稱的水翅體左右折沖且沿程增強，呈現出高低起伏、左右間歇擺動的不良流態，見圖3（b）。同一斷面左右水面差較大（瞬時值可達 4m ），局部區段有水翅直接沖擊洞頂現象，整個明流洞內水面波動較明顯。

2.2 摻氣特性

試驗結果表明，中孔泄洪洞在較低庫水位（ 2130m 運行時，部分摻氣設施空腔內積水仍然較多，導致空腔長度較短（基本不超過 5m ）甚至出現封堵現象，摻氣設施難以穩定通氣。而泄洪洞在較高庫水位（2160＼～2170m ）運行時，各級摻氣坎后均能形成穩定的摻氣空腔，空腔長度約 3.4～11.3m ，但多處于持續積水狀態，因此最大空腔高度在較低庫水位運行時沒有明顯改善（ 0.3m 左右）。“短有壓 + 緩底坡長無壓”中孔泄洪洞原摻氣坎體型下，僅當泄洪洞在高水位運行時，各級摻氣坎后均能形成穩定空腔，而低庫水位條件下水流摻氣效果難以保證，且泄洪洞常用運行水位范圍內多級摻氣空腔內都存在明顯積水。由此可見，大水位變幅條件下，緩底坡長明流洞摻氣設施布置較為困難，特別是在較低庫水位運行時，摻氣空腔易出現積水甚至封堵通氣孔的現象。

由于摻氣坎水舌落點形態為“中間遠兩側近”，摻氣坎水舌左右兩側沖擊底板后部分水體向中部擴散，而中部摻氣坎水舌落點較遠，阻擋了橫向擴散的水體向下游運動，從而在空腔內形成回水。基于以上原理，考慮將1＼～6號摻氣坎體型調整為類似燕尾的梯形坎，使得摻氣坎水舌兩側的落點后移，水舌沖擊底板產生的回水可被中部摻氣坎水舌沖向下游。此外，還將6號摻氣坎向下游移動 10m ，使摻氣坎水舌與渥奇段形成一定高差，更利于該處摻氣空腔的形成。7號摻氣坎體型不變。優化后的各級摻氣坎體型見圖4和表2，摻氣坎優化后，開展了不同庫水位運行條件試驗，各級摻氣設施空腔特征長度及回水特性見表3。

在\"短有壓 + 緩底坡長無壓”的中孔泄洪洞布置條件下，摻氣坎優化后，不同水位條件下（2130＼～2170m ），各級摻氣坎后空腔積水現象有所改善、空腔長度增大且空腔穩定性得到提升，空腔長度相比原方案增加近一倍（由不超過 5m 增大到 10m 左右，見表3），摻氣設施可以穩定通氣，基本實現庫水位 2130m 及以上運行條件下正常摻氣的需求。

盡管優化后的摻氣設施基本可以滿足各級庫水位條件下的泄洪洞摻氣減蝕要求，但各摻氣設施前后水面跌落較大，再加上明流洞內非對稱水翅沖擊波引發的水面左沖右突，導致洞內沿程水面高低起伏，左右兩側水面高差較大，對整體流態改善不大。

3泄洪洞體型布置調整

由于“短有壓 + 緩底坡長無壓”的布置形式難以較好地解決明流洞內流態控制與沿程摻氣設施安全運行的矛盾，根據水力學模型試驗研究成果及工程布置等實際情況，提出了能夠減免明流洞內出現水翅沖擊波等不良流態，同時便于布置摻氣設施的“加長有壓洞 + 無壓段縮短變陡”的中孔泄洪洞布置建議，見圖5，“加長有壓洞 + 無壓段縮短變陡”中孔泄洪洞體型更改前后關鍵尺寸和水力學參數對比見表4。

根據“加長有壓洞 + 無壓段縮短變陡”明流洞段水流流速初步計算結果，對中孔泄洪洞明流洞段摻氣坎布置進行設計，沿程布設4級摻氣設施，各級摻氣坎體型見表5和圖6。

4“加長有壓洞 + 無壓段縮短變陡”隧洞體型水力特性

4.1 流態特性

通過1：25大比尺模型試驗驗證，延長有壓洞長度后，水流經過檢修閘門井下游長有壓洞的調整后，工作閘門前壓坡起始段前洞頂左右兩側的流線已接近對稱。有壓洞出口弧門閘室段過流較平順，無水翅激濺沖頂及沖擊弧門支座等不利流態。“加長有壓洞 + 無壓段縮短變陡”顯著改善了明流洞段的不對稱水翅沖擊波以及水流折沖現象。1號摻氣坎后樁號 0+235～ 0+340m 范圍內，有間歇性水翅濺擊洞頂，但隨著庫水位降低，該現象強度和范圍均明顯減輕和縮小。2號摻氣坎以下明流洞內水面總體平穩、均勻，見圖7。

4.2 摻氣特性

延長有壓洞后，無壓洞相應縮短、坡度變陡，空腔長度增大，1＼～4號摻氣坎下均能形成穩定的空腔，空腔長度從 0～11m 增加為 5～33m ，空腔內積水現象得到明顯改善。僅1號摻氣坎空腔在庫水位 2120.00m 條件下有少量積水（水深約 0.3m ），2號摻氣坎空腔在庫水位 2 130.00～2 120.00m 范圍內出現積水（水深約0.3～0.6m? ，對摻氣設施正常運行影響不大。

為進一步改善摻氣設施效果，將1號摻氣坎頂由水平角改為 -3^° 小俯角，以增大相應區段的洞頂余幅，同時減小該挑坎水舌與坎下底坡的交角;將2＼～4號摻氣坎坎頂高度增加 0.1m ，總坎高由 1.3m 增大到 1.4m （見圖8和表6）。摻氣坎優化后，各摻氣坎后均能形成穩定的摻氣空腔，1號摻氣坎水翅現象大大減輕，2＼～4號摻氣坎空腔長度一般增加 2.0m 以上，見表7。

總體來說，有壓洞長度延長后，改善了隧洞沿程不良流態，明流洞長度縮短、底坡變陡后，沿程各摻氣設施布置相對簡單，各摻氣坎后均能形成穩定的摻氣空腔，各摻氣特征指標均滿足規范要求，4級摻氣設施布置滿足全程摻氣減蝕的要求。

5結論

本文通過對新疆和田玉龍喀什水利樞紐工程中孔泄洪洞開展了1：25大比尺單體物理模型試驗研究，綜合分析了不同隧洞體型方案下的水流特性及摻氣效果，得到主要結論如下。

（1）“短有壓 + 緩底坡長無壓”隧洞體型出現突出的高速水流問題：出口水流進入無壓段后易形成水翅、沖擊波，呈現出高低起伏、左右間歇擺動的不良流態；明流洞內水流表層不對稱的水翅體左右折沖、沿程增強，局部區段有水翅直接沖擊洞頂現象，整個明流洞內水面波動較明顯；大水位變幅條件下，緩底坡、長明流洞摻氣設施布置較為困難，即使采用梯形摻氣坎 + 坎下變坡等特殊摻氣設施，在較低庫水位運行時，摻氣空腔也易出現積水甚至封堵通氣孔現象。

（2）針對高水頭泄洪洞出口沖擊波水翅流態、摻氣設施易封堵等高速水流問題，提出了“加長有壓洞+ 無壓段縮短變陡”隧洞體型的解決對策，通過加長進口有壓洞段，使隧洞水流得到充分調整，水翅及沖擊波強度、左右側水翅體的非對稱性等均比短有壓方案明顯減小，明流段沿程水流左沖右突現象得到明顯改善；明流洞長度縮短、底坡變陡后，沿程各摻氣設施布置相對簡單，各摻氣坎后均能形成穩定的摻氣空腔，各摻氣坎下游底板的沿程壓力梯度不大，各摻氣特征指標均滿足規范要求。

（3）“加長有壓洞 + 無壓段縮短變陡”帶來了多重好處：有壓洞加長改善了洞內流態；無壓段縮短變陡，降低了摻氣難度，摻氣設施體型簡單、便于施工，摻氣空腔更易形成，有助于解決空腔回水問題，摻氣效果更優。相關成果可為高水頭泄洪洞設計提供參考。

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（編輯：張爽）

Research on structural optimization and aeration characteristics of high - head flood discharging tunnels

YANG Juncheng1 ，WANG Zhixin2，YIN Ming3，CUI Anzhe1 ，CHEN Yang2 （1.ChinaGezhoubaGoupCod.Chengduo74，China；.HydraulicsResearchIstitute，ChangjiangRiverScientificeh Institute，Wuhan430o，China；3.Changjiang Surveylanning，DesignandResearchCo.，Ltd.，Wuhan430Cina）

Abstract：To addressthe problems of water-wing shock waves and unstableaerated cavities causedby high-speed flow in high-head spillways，we took the middle-orifice spillwayofYulong Kashgar Water ControlProjectasanexample.Through a 1：25 large-scale physical model test，the spillway layout was optimized by extending the pressurized section，shortening the non-pressurized section，and steepening thebottom slope toensure fullflow adjustment.Theresearch resultsshowed thattheflow regime attheoutletofthe pressurized section becomesstable，with significant reductions in water-wing and shock wave intensity，andamarked improvement in flow turbulence intheopen channel section after the adjustment.Meanwhile，stable aerated cavities form downstream ofall aerationramps，with gentle presuregradients along thebotom slab，andallaeration indices couldmetthecoderequirements.Theoptimized designeectielyresolved issues of cavity water accumulation and vent blockageduring low-water-level operation.Theresults can provide a references for solving high -speed water flow issues in high -head flood discharging tunnels.

Key Words： flood discharge tunnel design；high-speed water flow;air-entrainment facilities ona mild slope;shock wavewater flap；cavity water accumulation