陡坡导流隧洞进口体型试验研究

石教豪，刘 毅，段春荣，盛 君

（1．长江科学院a．水力学研究所；b．长江工程建设监理有限责任公司；2．长江水利委员会长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010）

陡坡导流隧洞进口体型试验研究

石教豪1a，刘 毅1b，段春荣2，盛 君1a

（1．长江科学院a．水力学研究所；b．长江工程建设监理有限责任公司；2．长江水利委员会长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010）

陡坡导流隧洞由于坡度较陡，洞内流态不好控制，进口体型优化比较关键。针对某项目施工导流工程进行了1∶85水工整体模型试验，通过对进口、洞身流态进行比较，提出了隧洞进口布置形式的推荐方案，结果表明：方案一进口顶部采用椭圆形式，虽然在2级流量下，上游水位大大降低，但在导流设计流量条件下洞身形成明满流交替现象，对洞身安全不利；方案二隧洞进口采用锐缘形式，使导流洞的泄流能力、进口及洞内流态、压力特性均满足设计要求，可确保在各级导流流量下，洞身段均为明流，故建议将其作为推荐方案。研究成果可供设计参考应用。

导流；隧洞；进口；流态；体型

1 工程背景

陡坡导流洞具有洞身流速大、明满流交替区间较大等特点，而明满流交替流态将使洞内水流的动水压力、流速等发生周期性的变化，且极易产生空化空蚀破坏，危及隧洞结构，从而影响建筑物的运行安全。因此，为了保证建筑物的安全，很有必要对陡坡导流洞的明满流交替流态以及控制措施进行研究。

图1 某工程施工导流平面及剖面图Fig．1 Plan and profile of the diversion work for project construction

某山区河道施工导流工程隧洞坡度较陡（i＝7．6%），施工导流采用一次性拦断河床、围堰全年挡水、隧洞泄流的方式。围堰挡水标准按10年一遇洪水设计，相应全年最大瞬时流量Q＝286 m3／s，设计方案上游围堰轴线长约150 m，堰顶高程369 m，最大高度约50 m，截流流量Q＝225 m3／s。施工导流平面及剖面图见图1。

导流隧洞进口底板高程为350 m，出口高程为265m。导流隧洞断面形式选用施工方便的城门洞型，隧洞尺寸5 m×6 m（宽×高），高宽比为1．2，顶拱半径2．89 m，中心角120°。导流隧洞洞身由进口直线段、圆弧段及出口直线段组成，长度为1 124．35 m。

进口明渠：底高程350．0 m，长约60 m，渐变段长10 m。出口明渠：翼墙段两侧扩散角为6°，渐变段长10 m。出口明渠底板高程为260 m，鼻坎高程为260 m，高过下游可能的最高水位259．74 m，确保隧洞出流为自由挑流，下接挑流鼻坎，反弧半径25 m，挑角30°。

由于隧洞坡度较陡（i＝7．6%），陡坡隧洞水力学问题较复杂，具有洞身流速大、明满流交替区间较大等特点，目前尚无类似工程可循［1］。根据工程等级及其隧洞坡度较陡、运行期长（5年）的特点，依据相关规程规范的要求，应开展水工整体模型试验研究隧洞体型及下游消能防冲布置方案，并验证围堰设计高程的合理性，确保隧洞运行安全。由于隧洞出流为自由出流，下游水位不会影响洞内流态，故本试验关键是隧洞进口体型优化。

2 模型设计

模型按重力相似准则设计，为正态水工整体模型，模型比尺为1∶85。模型相应参数比尺如下：时间比尺为λt＝λl1／2＝9．220；流量比尺为λQ＝λl5／2＝66 611．21；流速比尺为λv＝λl1／2＝9．220；糙率比尺为λn＝λl1／6＝2．097。

模型模拟上游地形长约400 m，最高高程模拟至390 m，模拟下游地形长约640 m，高程模拟至270 m。模型宽度5 m，长度25 m，包含导流洞及上下游地形及工作平台。模型制作和安装精度均满足SL155—95《水工（常规）模型试验规程》、SL156—165—95《水工（专题）模型试验规程》要求。

为了更精确地量测过流量，试验采用三角堰量测流量，采用水位测针量测水位［2］。

3 试验成果及分析

3．1 方案一

该方案隧洞进口顶部采用典型的椭圆形式，椭圆方程（见图2）为

为增大进口流速，降低水深，尽量避免洞内明满流的发生，上游明渠底板高程为350．8 m，高于隧洞进口底高程350 m。导流隧洞断面形式不变，长度为1 149．88 m。

试验观测了导流洞进口、洞内流态。试验测得上游水位与流量的关系见表1。泄流能力见图3。

表1 方案一上游水位与流量关系Table 1 Relation between upstream water level and discharge flow in scheme 1

图2 方案一进口大样图Fig．2 Detailed draw ing of the inlet in scheme 1

图3 方案一泄流能力曲线Fig．3 Curve of discharge capacity in scheme 1

实测设计流量Q＝286 m3／s时，H上＝357．67 m。H上／a＝（357．67－350）／6＝1．28，1．2＜H下／a＜1．5，进口为半有压流或不稳定流流态（其中，a为洞高［3］）。观测结果如下。

（1）进口：库水位随着流量增大而逐步抬高，当Q≥243．33 m3／s时，隧洞进口被淹没，同时伴随有串通吸气漏斗漩涡产生。

（2）洞内：当Q≥243．33 m3／s时，洞内开始形成明满流交替流态，且流量区间很大，在Q＝539．20 m3／s时，洞内仍为明满流交替流态。

（3）在流量Q＝225 m3／s、下游水位H下＝248．67 m时，进口未被淹没，洞内均为明流状态。在流量Q＝286 m3／s、H下＝248．67 m时，进口被淹没，伴随有串通吸气漏斗漩涡产生，洞身为明满流交替形态。2级流量进口流态见图4。

图4 方案一进口流态Fig．4 Flow pattern at the inlet in schem e 1

方案一试验成果表明：进口顶部采用椭圆形式，在设计流量Q＝286 m3／s时，上游水位较低，但洞身在Q＝243．33～539．20 m3／s流量区间内形成明满流交替形态，同时进口有串通吸气漏斗漩涡产生。为避免上述不利流态，进口体型需要进行优化。

3．2 方案二

由于进口顶部采用典型的曲线型式，洞内流态不佳，考虑到隧洞坡度较陡较长，隧洞进口采用锐缘形式，以期产生水流封闭进口而洞内产生明流流态，见图5。

试验观测了导流洞进口、洞内流态，测得方案二上游水位与流量的关系见表2，泄流能力曲线见图6。

表2 方案二上游水位与流量关系Table 2 Relationship between upstream water level and discharge flow in scheme 2

图5 方案二进口大样图Fig．5 Detailed draw ing of the inlet in scheme 2

图6 方案二泄流能力曲线Fig．6 Curve of discharge capacity in scheme 2

实测设计流量Q＝286 m3／s时，H上＝366．01 m。H上／a＝（366．01－350）／6＝2．67，H上／a＞1．5，进口为有压流［3］。观测成果如下。

（1）进口：Q＝34．94～130．09 m3／s时，进口均未被淹没，洞内呈明流，出口呈自由出流，随着流量增大，上游水位逐步抬高，当Q≥148．94 m3／s时，隧洞进口被淹没。

（2）洞内：当Q≥148．94 m3／s、H上≥356．00 m时，由于进口顶部为锐缘，且隧洞底坡较陡，导流洞进口段形成闸孔出流形态，虽过进口后有一水面跌落，随后水面壅起，但水面未触及洞顶，进口后的洞身段均为明流。

（3）当Q＝225，286 m3／s两级流量下，进口均被淹没，偶有漩涡产生，进口段之后均为明流。两级流量进口、洞身流态见图7。

图7 方案二进口流态Fig．7 Flow pattern at the inlet in scheme 2

4 结论和建议

通过2种典型方案的试验分析可知：方案一进口顶部采用典型椭圆形式，虽然在2级常遇流量下上游水位大大降低，但在导流设计流量条件下洞身形成明满流交替现象，对洞身安全不利，明渠内流速不大；方案二隧洞进口采用锐缘形式，上游进口未见表面漩涡，洞内流态大大改善，导流洞的泄流能力、进口及洞内流态均满足设计要求。考虑到河道狭窄，围堰工程量较小，故建议进口顶部采用锐缘形式。由于锐缘进口跟流态的关系目前尚无成熟的理论来支撑，一般通过试验来分析，本文试验成果如下：（1）在围堰挡水设计标准流量Q＝286 m3／s（洪水频率P＝10%）时，上游水位为366．11 m，低于围堰堰顶高程369 m，表明导流洞泄流能力满足要求。（2）在Q≥186 m3／s，H上≥358．16 m时，进口开始淹没，偶有漩涡产生；在Q＝286，225 m3／s两级流量时，进口均被淹没，洞身进口段类似闸孔出流水流形态，洞身为明流。（3）由于进口顶部采用锐缘形式，局部损失较大，对泄流能力有较大影响，进口形式与泄流能力、导流洞坡度以及流量与洞内流态的关系还需做进一步探索。

［1］ 清华大学水力学教研组．水力学（下册）［M］．北京：人民教育出版社，1980．（Hydraulics Research Team of Tsin ghua University．Hydraulics（the Second Volume）［M］．Beijing：People’s Education Press，1980．（in Chinese））

［2］ 李学海，石教豪，曾正春．马来西亚沐若水电站施工导流1∶80水工整体模型试验成果报告［R］．武汉：长江科学院，2009．（LI Xue hai，SHI Jiao hao，ZENG Zheng chun．Reporton the1：80 Hydraulic Model Test for the Di version Work of Muruo Hydropower Station in Malaysia［R］．Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2009．（in Chinese））

［3］ 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研组．水力计算手册（2版）［M］．北京：中国水利水电出版社，2006．（Hydraulic Fluid Mechanics Teaching and Research Team of School ofWater Resources and Hydropower Engineering of Wuhan University．Manual of Hydraulic Calculation（Second Edition）［M］．Beijing：China Water Power Press，2006．（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁 黄 玲）

Research on the Inlet Shape of Steep Diversion Tunnel by M odel Test

SHIJiao hao1，LIU Yi2，DUAN Chun rong3，SHENG Jun1
（1．Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Wuhan Changke Engineering Construction Supervision Co．Ltd．，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3．Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China）

Since the flow pattern in steep slope pilot tunnel is difficult to control，it’s critical to optimize the inlet shape．A 1∶85 hydraulicmodel test is carried out for the diversion work of a project construction．By comparing the inlet and the flow pattern in the tunnel，it’s found thatelliptic top of the inlet is detrimental to the tunnel safety，in which case the upstream water level under two stage flow conditions is reduced remarkably，but themixed free sur face pressure flow occurs in the tunnel under the designed diversion flow condition．The tunnel inlet with sharp edge is recommended，with which the discharge capacity，the flow pattern，and the pressure characteristics could allmeet the design requirements．It can ensure that the flow in the tunnel is always free flow at all levels of diver sion flow．

flow diversion；tunnel；inlet；flow pattern；shape

TV135．5

A

1001－5485（2013）08－0037－03

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．009

2013，30（08）：37－39，53

2013－04－16；

2013－06－21

石教豪（1976－），男，湖北大冶人，高级工程师，主要从事水工水力学方面的研究，（电话）027－82829903（电子信箱）shijiaohao＠126．com。