水工隧洞流态问题研究

□ 朱烜东 □ 郭世兴 □ 刘永峰

（1三门峡市水利勘测设计有限责任公司 2陕西水利电力勘测设计研究院）

0 前言

隧洞是常见的水工泄水建筑物，由于隧洞工程工序多、技术复杂，且工作面有限，受围岩影响施工困难，在水利工程中常为控制性工程。合理的洞线布置和洞身尺寸及衬砌计算对工程规模和投资及工期的影响很大，了解隧洞内的流态随流量的变化是隧洞设计的依据。文章结合龙潭水库导流泄洪洞水力学模型试验，对无压隧洞中存在的弯道高速水流问题，提出切合实际的工程解决方案，并通过模型试验来验证。

1 工程概况

铜川市耀州区龙潭水库位于石川河右岸一级支流赵氏河上游，控制流域面积161km2，水库工程任务是工业供水。坝址多年平均径流量1304万m3，枢纽采用均质土坝和明流泄洪洞，正常蓄水位为711.60m，死水位为701.24m，则水库调节库容为598万m3，水库多年平均供水量为505万m3，供水方式采用库内浮船泵站抽水。

导流泄洪洞布置在河道右岸，洞身全长492m，分别由进口进水塔段、洞身段、出口消能段组成。进口底板高程为680m，断面为圆拱直墙型，尺寸为4.50m×7.30m，直墙高度6.00m，拱高 1.30m，半径 2.60m，洞身全长 492m，底坡为1/100，桩号0+107.097m～0+135.60m为弯道段，转弯半径为50m，转角为32°39′，出口段采用挑流鼻坎消能。

水库泄洪洞满足现行设计手册和规范“对于流速<20m/s的无压隧洞，弯曲半径≥5.00倍洞宽，转角≤60°”的要求。但为确保工程的安全运行，对泄洪洞在不同工况下的水流流态、泄流能力、弯道水流等进行了系统的模型试验研究，对存在的弯道水流问题结合试验给出工程解决方案。

2 流态、泄流能力及弯道水流

2.1 库水位与流量系数关系

泄洪洞试验模型选用几何比尺为1:36，洞身段用无色有机玻璃制成。经实测数据计算，闸门全开，库水位低于685.15m时进水口水流流态为堰流，堰流综合流量系数为0.32～0.34；库水位在688.93～720.46m时水流流态为有压孔流，孔流系数为0.56～0.864；库水位在685.15～688.93m时为明流向孔流的过渡区，流量系数（半有压流）介于两者之间，和利用水力学公式计算的流量系数基本一致。库水位为设计洪水位714.76m时，泄洪洞实测下泄流量Q=321.55m3/s，较原设计值Q=322.0m3/s小0.14%；库水位为校核洪水位719.94m时，泄洪洞实测下泄流量Q=343.34m3/s，较原设计值Q=346.74m3/s小0.98%，说明试验得到的泄洪洞泄流能力与原设计计算成果相同。

2.2 弯道水流流态

由于泄洪洞在0+107.097m以后有28.50m的弯道段，水流受惯性及离心力的作用，内弯处水位低、外弯处水位高，在弯道处产生水位差，且差值随着库水位的升高而增加，试验实测弯道外侧与内侧水深及水位差随库水位变化曲线见图1。

由图1可知，当下泄流量不超过277m3/s时，弯道外侧水深在导流泄洪洞直墙高度6.00m以内，该流量占隧洞最大下泄流量346.7m3/s的80%。当流量超过277m3/s时，弯道外侧水深将超过6.00m，水流翻越洞顶，并在下游直洞段产生严重的折冲水流。

图1 模型实测水库水位与弯道内外侧水深关系曲线图

从试验可看出，在高水位时弯道段流态差，采用抬高外侧底板高程的方法，不会降低外侧水面高度，反而会影响其过流流态、减少过水断面面积。当通过用闸门开度控制洞内的下泄流量且流量不超过277m3/s时，洞内和弯道段的流态都有明显的改善。

2.3 弯道段洞内壁面的脉动压强

深孔泄流隧洞在上下游水位差较大时，产生高速水流，发生压强脉动、气蚀、掺气、波浪等问题，由于测压管仅能测量水流的时均压强，为了掌握弯道水流的脉动压强，了解隧洞瞬时所受的脉动压强及脉动频率等参数，沿弯道水流的轨迹在折冲区域及底板、顶板布置了脉动压强测点，采用压力传感器测量、DJ800型水工数据采集系统采集数据。本次脉动压强振幅按重力相似准则引申至原型、频率按斯特鲁哈（Strouhal）移置。

通过试验测量，闸门3.20m全开弯道不加斜导流坎弯道段脉动压强在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位等运行水位的最大脉动值为22.44kPa。闸门2.80m开度弯道不加斜导流坎运行水位最大脉动值为31.86kPa；闸门2.80m开度弯道加矩形斜导流坎的运行水位最大脉动值为142.59kPa；闸门2.80m开度弯道加梯形斜导流坎的运行水位最大脉动值为79.74kPa。故弯道段加矩形斜导流坎坎高0.25m方案的脉动压强值最大，加梯形斜导流坎坎高0.25m方案的脉动值次之，不加斜导流坎脉动压强值相对较小。从闸门开度2.80m、弯道正中不加斜导流坎设计水位时的自功率谱图和测点波形图可看出，脉动压强的优势频率量测数据均小于1Hz，说明弯道水流的脉动压强属于低频。

3 改善洞内流态的工程方案

导流泄洪洞弯道段设计虽然满足规范要求，从模型试验可看出，库水位705.34m时，下泄流量为277m3/s，弯道外侧水深达到6m。随着库水位的继续升高，外侧水面超过直墙到达洞顶，弯道内外侧最大的水面差值为6.25m，水流翻越洞顶，流态恶化。弯道下游直线段折冲水流明显，且设计、校核水位下的洞内掺气水深均超过净空要求值，净空面积只有（12.89～12.93）%。为了解决已成隧洞存在的问题，根据工程实际拟定以下几种解决方案。

3.1 导流泄洪洞前压后明方案

该方案于导流泄洪洞0+215.60处设竖井，竖井位置位于弯道后80m处，将洞身分为前后两段，前段为压力洞，后段为明流洞。优点是仅在原洞线路上设竖井，对竖井前部分洞段进行改造，使洞内水流由原设计无压流变为压力流状态，可彻底解决竖井前弯道段水流紊乱状况。缺点是需在弯道后新建竖井，需拆除原洞身建工作弧门闸室，竖井工程量大。

3.2 左岸泄洪放水洞与右岸导流泄洪洞联合泄洪方案

根据模型试验建议当下泄流量不超过277m3/s时，弯道外侧最大水深在导流泄洪洞直墙高度6.00m以内，水流条件明显改善，同时洞身断面满足净空要求。该方案不改变水库的特征水位和规模，保持原校核洪水位719.94m。导流泄洪洞开度2.80m，在左岸设置泄洪放水洞（压力洞）洞径D=3.50m时，两洞联合运行满足原水库设计的下泄量要求。

该方案优点是运用灵活，对大坝安全保障程度高，可以承担宣泄部分洪水。同时，泄洪放水洞经常参与泄洪，可以保证进口的“门前清”，满足供水管道的引水流量。缺点是费用高，泄洪放水洞施工工期较长。

3.3 泄洪洞弯道改建方案

改建方案拟采用加大转弯半径方法，将弯道侧向水深限制在洞身直墙高度以内。当R=120m时，洞内水深基本满足要求，但需拆除已成隧洞70m。

该方案优点是能充分发挥导流洞的泄流能力，不需要增设新的建筑物，工程运用仍按原导流泄洪洞设计方案进行，改造费用较低。缺点是需在洞内拆除混凝土，拆除过程中可能对上下游已成洞身混凝土造成伤害，且施工难度大。

3.4 导流泄洪洞压闸控制下泄流量方案

根据模型试验，当导流泄洪洞下泄流量<277m3/s时，弯道段洞内最大水深基本限制在洞身直墙段高度以内，洞内水流状态明显改善，同时洞身断面满足净空要求。当校核洪水过程时，泄洪洞开度2.80m，最高洪水位720.86m，最大下泄流量为266.70m3/s，满足下泄流量<277m3/s的要求。

该方案虽然洞内水流流态未得到彻底改善，但泄洪时洞内未测到负压，脉动压力也不大，洞内净空满足要求，汛期仅需压闸限泄运行即可满足要求，枢纽布置和运用仍维持原方案不变。缺点是校核水位略高于原方案，可通过适当增加水库防洪库容达到减小下泄流量目的，但增设防浪墙可有效解决。

3.5 方案的采用

由模型试验可知，泄洪洞弯道段在流量超过277m3/s时流态恶化，水流在隧洞内翻滚越过洞顶，并在弯道段后的直线段产生折冲水流。通过拟定的以上四种方案优缺点分析，结合水工模型试验，考虑工程实际、施工、经济等各方面因素，最后推荐采用经济合理的导流泄洪洞压闸方案。

4 结语

龙潭水库已成导流泄洪洞满足现行规范的要求，通过水工模型验证，计算的隧洞泄流量和试验值一致，但洞内流态随着水位升高恶化。为了改善洞内流态，通过导流泄洪洞前压后明、新建左岸泄洪放水洞、加大转弯半径改建弯道、泄洪洞压闸控制下泄流量等设计方案的比较和试验验证，考虑工程实际、施工、经费等各方面因素，最后推荐采用经济合理的导流泄洪洞压闸方案，对存在的无压隧洞弯道段的高速水流问题进行了系统研究并合理解决。

[1]张宗孝.龙潭水库泄洪洞水工模型试验[R].西安理工大学，2011.

[2]李炜.水力计算手册（第二版）[M].北京:中国水利水电出版社，2006.