陡坡隧洞明满交替流成因及改善措施

李学海，李 蘅，石教豪

（1．长江科学院水力学研究所，武汉 430010；2．长江勘测规划设计研究有限责任公司施工处，武汉 430010）

陡坡隧洞明满交替流成因及改善措施

李学海1，李 蘅2，石教豪1

（1．长江科学院水力学研究所，武汉 430010；2．长江勘测规划设计研究有限责任公司施工处，武汉 430010）

山区河道陡坡隧洞易于形成的明满交替流，会对隧洞产生空化空蚀、振动、冲击破坏。基于陡坡隧洞的模型试验研究成果，对陡坡隧洞明满交替流的影响因素及其改善措施进行了研究。分析了明满交替流形成的主要影响因素，包括洞前相对淹没深度H／a、隧洞体型（包括隧洞底坡、进口顶部体型、洞高、洞长、是否有转弯段、闸门井等）、进口引渠布置以及由上述因素形成的吸气漩涡、闸门井吸气影响等。综合考虑工程地形、地质、工程运用要求以及安全经济等因素，可采取消涡措施、消除闸门井吸气措施、隧洞进口顶部体型优化与选择以及洞高和洞长优化等措施，改善陡坡隧洞的明满交替流现象。

陡坡隧洞；影响因素；形成机理；改善措施

1 研究背景

山区河道水能资源丰富，近几年来，为充分开发水能资源，国内外越来越多的水利水电工程的坝址选择在两岸陡峻、河谷狭窄、河道纵坡较陡的山区河道。在地形和地质条件有利于隧洞的布置和施工时，其导流建筑物大多会选用隧洞导流。部分工程因河道纵坡较大采用了陡坡隧洞（i＞ik，i为洞身底坡，ik为临界坡）。国内外部分山区河道工程导流隧洞的参数见表1。

表1 国内外部分山区河道工程导流隧洞参数Table 1 Parameters of some diversion tunnels for mountain rivers in China and abroad

表1中的马来西亚某工程，其设计流量为Q＝3 044 m3／s、校核流量为Q＝3 670 m3／s，研究表明［1－3］：在原方案条件下，1＃洞（底坡3．19%）在Q＝2 300～3 670 m3／s区间、2＃洞（底坡2．87%）在Q＝2 800～3 400 m3／s区间，均产生了明满交替流，流量区间跨度分别为1 370 m3／s和600 m3／s，进口均伴有吸气漏斗漩涡，闸门井存在吸气现象。表中的缅甸某工程支流导流工程，其设计流量为Q＝286 m3／s，隧洞底坡为7．5%，研究表明［4］：进口顶部采用椭圆形式时，洞内明满交替流的流量区间很大，且极不稳定，库水位涨水过程与落水过程的洞内流态也存在较大差异，相同流量下库水位差异很大；进口顶部采用锐缘形式时，形成水流封闭进口，而洞内为无压流的半有压流状态，其泄流能力有所下降。

由此可见，陡坡隧洞易于形成明满流交替流态，且流量区间跨度较大。明满交替流是一种进口伴随吸气漩涡，洞内夹杂有不稳定气囊，洞内出现时而无压、时而有压的周期性变化的不稳定水流状态，会引起洞内压力、流速、流量等发生周期性变化，在洞顶负压绝对值、洞内流速均较大时，会对隧洞产生空化空蚀、振动、冲击破坏，在水工设计和运行中，一般不允许采用这种流态。陡坡隧洞的相关水力学问题是随着山区河道工程的开发逐步显现出来的。而目前国内外关于明满交替流的研究成果［5－22］，其研究对象多集中于水电站尾水系统及城市下水道管网，输水管道坡度相对较缓，而对具有高速水流且易于发生明满交替流的陡坡隧洞中出现的明满流交替问题的研究则极少。为此，本文基于陡坡导流隧洞的模型试验成果，结合相关理论，对陡坡隧洞明满交替流的影响因素及改善措施进行了分析探讨。

2 导流隧洞洞内流态影响因素分析

当下游水位较高且淹没出口洞顶以致减低了泄流能力、出口流态为淹没出流时，洞内流态为有压流。当下游水位较低且为自由出流时，其洞内流态变化复杂，决定于上述其他影响因素。下面重点分析自由出流情况。

2．1 上游水位对隧洞流态的影响

2．1．1 缓坡隧洞

对于缓坡隧洞（i＜ik），当H／a＜k1（H为以隧洞进口断面底板高程起算的上游水深，a为洞高，k1为常数），洞内水流为无压流。当k1＜H／a＜k2m（k2m为常数）时，洞长较短、进口上部为锐缘的隧洞会出现水流封闭进口而洞内为无压流的半有压流状态；隧洞较长时，无论进口顶部为锐缘或曲线均会出现洞内前一段为有压，后一段为无压的半有压流状态；当H／a＞k2m时，全洞为有压流。

2．1．2 陡坡隧洞

陡坡隧洞（i＞ik）洞内流态示意图见图1［23］。当H／a＜k1时，洞内水流为无压流，见图1（a）；当k1＜H／a＜k2s（k2s为常数）时，进口顶部为锐缘的隧洞，在正常水深h0＞a且洞长较短或h0＜a时，会出现进口水流封闭而洞内为无压流的半有压状态，见图1（b）；当k1＜H／a＜k2s，h0＞a、且隧洞较长时，无论进口顶部为锐缘或曲线形，洞内将出现时而为无压，时而为有压，并伴随着不稳定的气囊的周期性水流现象，即明满交替流形态，见图1（c）；当上游水位增加至H／a＞k2s时，全洞为有压流，见图1（d）。

图1 自由出流时洞内流态示意图Fig．1 Sketch of flow patterns in the tunnel in the case of free outflow

2．1．3 流态转换界限值的确定

上述提到的k1，k2m，k2s称为流态转换界限值。

（1）常数k1为无压流至半有压流的转换界限值，主要与隧洞底坡、泄流量、进口两侧边墙、隧洞断面的形式、尺寸有关，可通过试验确定。对导流隧洞，影响k1值的主要因素是进口体型。k1值的变动范围为1．1～1．3，进口边墙局部阻力损失系数较大时取较小值；反之取较大值。一般可取k1＝1．2作为判别的界限值。

（2）常数k2m为缓坡隧洞由半有压流至有压流的界限值。

（3）常数k2s为陡坡隧洞由不稳定流态至有压流的界限值，需通过试验确定。工程中常取均值k2s＝1．5，当1．2＜H／a＜1．5时为半有压流或不稳定流态；当H／a＞1．5时为有压流。

2．2 隧洞体型对隧洞流态的影响

上游水位对隧洞流态影响的分析已涉及了隧洞底坡、长度、进口体型、洞高等隧洞体型因素对隧洞流态的影响。下面进一步说明各因素对隧洞流态的影响。

2．2．1 隧洞坡度对隧洞流态的影响

由2．1节分析可知，有压流—半有压流—明流的平稳过渡或反向平稳过渡，只在缓坡隧洞才有可能［6］。而陡坡隧洞在1．2＜H／a＜k2s，h0＞a，且隧洞较长时，无论进口顶部为锐缘还是曲线形，洞内均会出现明满交替流。可见，隧洞坡度易于产生明满流交替现象，是明满交替流形成的重要因素。

2．2．2 隧洞进口体型对隧洞流态的影响

隧洞进口顶部体型主要有锐缘和曲线2大类型。对于陡坡隧洞，当1．2＜H／a＜k2s，h0＜a时，陡坡隧洞进口采用锐缘泄流能力和洞内流态与采用曲线形式的明显不同，存在泄流能力和洞内流态的冲突。对于锐缘进口形式，会形成水流封闭进口而洞内为无压流的半有压流状态，其泄流能力较低；对于曲线进口形式，会形成明满流交替流，其泄流能力较高。

2．2．3 隧洞洞高对隧洞流态的影响

由2．1节分析可知，洞高a对隧洞流态的影响与正常水深h0及洞长l密切相关。在1．2＜H／a＜k2s时，当h0＞a，洞长l较大时，洞内将出现明满交替流状态，洞长l较小时出现半有压状态；当h0＜a，进口顶部为锐缘的隧洞会出现半有压状态，进口顶部为曲线的隧洞则可能出现明满交替流状态。

2．2．4 隧洞长度对陡坡隧洞流态的影响

陡坡隧洞长度界限lks对陡坡隧洞流态有较大影响。对于进口顶部为锐缘的陡坡隧洞，当1．2＜H／a＜k2s，正常水深h0＞a，l＜lks时，出现半有压流，见图1（b）；当l＞lks时，将发生明满交替流，见图1（c）。lks值由式（2）确定：

式中：li＝4a；l0＝（0～0．5）a，一般可忽略；ls可用分段求和法由推算C2型水面曲线决定，hc按式（3）计算。li，ls，l0含义如图2所示。

图2 陡坡隧洞半有压流Fig．2 Partial pressure flow in steep slope tunnel

图3 i与lks／a的关系图Fig．3 Curves of i vs．lks／a

式（3）中μ为流量系数，随进口首部类型而定，见表2［5］。

对于进口为垂直洞脸、锐缘、圆角或斜角，洞身断面为矩形或圆形，其表面为混凝土的，无论有无翼墙，无论是缓坡或陡坡，均可利用图3［23］的曲线估算界限长度lks。图3中，r为圆角进口的半径，w为斜角进口的折线高度，a为洞高。由图3可知，采用锐缘进口，可获得较长的界限长度lks；当的r／a≥0．06或w／a≥0．06后，在洞高不变时，界限长度lks基本为常数，且数值较小。

2．2．5 隧洞转弯段对陡坡隧洞流态的影响

研究表明［24］：直洞的明满流交替范围大体为H／a＝1．1～1．5；而弯道隧洞内明满流交替范围为H／a＝1．4～2．7。因此，具有弯道的隧洞，其明满流形成的水位运行区间明显大于直洞。

2．2．6 闸门井吸气对陡坡隧洞流态的影响

有的工程在进口渐变段后设置有闸门井，如马来西亚某工程。试验表明［1－2］：陡坡隧洞进口顶部区为负压区，在进口顶部曲线设计不当时使负压绝对值较大，导致闸门井形成吸气，会扩大洞内明满交替流的流量区间跨度。

表2 流量系数及洞口水流侧收缩系数Table 2 The discharge coefficients and the side contraction coefficients at tunnel inlet

2．3 隧洞进口漩涡对隧洞流态的影响

导流隧洞进口一般布置在河道旁侧，由于洞前水流来流的不对称性，在一定的进口淹没水深段，隧洞进口前将发生漩涡。漩涡分表面不吸气漩涡、间歇吸气漩涡、间歇串通吸气漩涡及稳定串通吸气漩涡4类。表面不吸气漩涡对洞内流态影响较小，而吸气漩涡则会将大量空气吸入隧洞，水流中挟气的积累会形成气囊，不稳定气囊随水流聚散、膨胀收缩、由上至下推移，使得洞内水流状态极不稳定，会增大明满交替流发生的流量区间跨度。

在导流洞布置及体型确定的情况下，漩涡的类型主要与导流洞进口的淹没水深及洞口尺寸有关。长江科学院 水江坪河水电站导流隧洞模型试验［25］表明：当相对淹没深度H／a＜1．15时，漩涡一般以表面不吸气漩涡为主，偶有吸气漏斗漩涡发生；当1．15＜H／a＜2．80时，漩涡以脉动吸气漏斗漩涡为主，伴有串通吸气漏斗漩涡发生，发生串通吸气漏斗漩涡时漩涡直径较大，可听到吸气声；当H／a＜3．08时，漩涡强度又明显减弱，漩涡一般以浅涡为主，偶而有吸气漏斗漩涡发生。可见，发生吸气漩涡的相对淹没深度H／a区间，正好覆盖洞内形成发生明满流交替的1．2＜H／a＜k2s区间，因此，漩涡吸气是洞内明满交替流形成的重要影响因素。

2．4 隧洞进口引渠布置对隧洞流态的影响

如马来西亚某工程的导流隧洞［1－2］均布置在左岸，进流不对称，且进口顶部平台向上游伸出山体一定距离，在水位高出洞顶平台后有较大回旋空间，易于形成吸气漏斗漩涡，吸入洞内的气体将加大洞内水流的不稳定，增大了明满流交替流量区间跨度。

3 陡坡隧洞明满交替流的改善措施

由以上分析可知，陡坡隧洞洞内明满交替流形成的影响因素主要有导流洞体型因素（包括隧洞底坡、进口体型、洞高、洞长、是否有转弯段、闸门井等）、进口吸气漩涡形成因素（包括库水位变幅、导流洞进口引渠段的不对称性布置、进口顶部区域有较大的水流回旋空间等）、闸门井吸气形成因素（包括洞顶压力特性、门井体型等）。上述因素中，隧洞底坡、长度、转弯段布置、较大的库水位变幅等，是工程依据特定的地形、地质、工程运用要求以及安全经济考虑下形成的，难以做太大改变。因此，下面重点从消涡措施、消除闸门井吸气措施、进口体型优化等方面探讨陡坡隧洞明满交替流的改善措施。

3．1 消涡措施

要消除漩涡或减小漩涡强度，首先需分析漩涡形成的条件，再据此制定可行的措施。

3．1．1 漩涡形成条件及消涡对策

漩涡形成的主要因素有相对淹没深度H／a、进口布置的不对称性以及回旋空间大小、进口体型等。上游水位的运行区间与隧洞泄流能力、导流工程造价以及后期运用要求等密切相关。当洞前发生吸气漩涡的流量区间较大时，可通过调整隧洞的高、宽比及调整泄流能力，减小吸气漩涡发生的流量区间。由于导流隧洞布置于河道一侧或两侧，来流流向与进水口轴线往往存在夹角，加上进口布置及地形边界因素，导致进流条件的不对称。有的工程因地形、地质条件制约，隧洞进口附近存在较大的水流回旋空间，这些均会为漩涡形成提供有力条件。因此，通过模型试验研究，优化进口布置，调整进水口与周围建筑物的相对布置，尽可能使进水口附近水流边域呈对称布置，尽量减小隧洞附近的来流流向与进水口轴线的夹角是减免进水口漩涡的有效途径。此外，还可在漩涡发生部位安装专门的结构体如防涡梁、板和消涡栅，就地击碎漩涡，也是消涡的有效措施。但因导流隧洞多为临时工程，考虑到安装专门的结构体造价高、施工困难，在实际工程中较少采用。

3．1．2 消涡措施的试验研究

马来西亚某工程的导流试验［1］对消涡措施进行了探索研究。因地形、地质条件制约，1＃，2＃隧洞进口布置均不对称，左高右低，在上游水位较低时存在侧向进流，形成右侧吸气漏斗漩涡；在上游水位淹没进口段顶部平台后，开始形成吸气漏斗漩涡。因洞顶平台伸出山体较远，在洞口前存在较大的水流回旋空间而加大了漩涡强度。因此试验从进口对称性及减小水流回旋空间角度进行了消涡措施探索。试验将1＃，2＃隧洞进口引渠段两侧喇叭口布置改为完全对称，并设置了对称导墙；在进口段顶部平台的洞口前沿设置隔水墙。试验表明：上述消涡措施有效减小了洞前回旋水流的回转区间，从而有效减小了立轴漩涡的强度，改变了漩涡类型。1＃，2＃导流隧洞发生明满交替流的流量区间跨度分别由1 370 m3／s和600 m3／s减小至300 m3／s，洞内明满交替流的改善效果显著。

3．2 消除闸门井吸气措施

马来西亚某工程的导流试验［1］成果表明：在闸门井通气、仅采取部分消涡措施情况下，当上游水位淹没进口段顶部平台一定高度后，因洞内负压作用，闸门井不但不向外排气，反而向洞内吸气，加剧了洞内明满交替流的形成。闸门井吸气的根源在于洞内存在较大负压。封堵闸门井虽可防止闸门井吸气，减小明满流交替区间，但却使洞内负压绝对值增大，压力特性进一步恶化。因此，封堵闸门井措施并不可取，而应从改善洞内压力考虑。试验采取了进口体型优化和出口缩小15%面积压坡措施，进口体型优化改善了喇叭口段及渐变段的压力分布特性，出口压坡增大了整个隧洞的压力。闸门井吸气现象消失，洞前吸气漩涡强度也得到减弱，明满流交替的流量区间跨度明显减小。但出口压坡对泄流能力影响较大，需结合泄流能力的设计要求确定压坡幅度。

3．3 进口顶部体型选择及优化

隧洞进口顶部体型主要有锐缘和曲线2大类型。如2．2．2节所述，对于陡坡隧洞，2种进口顶部体型存在泄流能力和洞内流态的冲突。采用锐缘进口形式，可避免明满流交替流的发生，其泄流能力较低；而采用曲线进口形式，泄流能力较高，但会形成明满流交替流。因此，需结合工程造价和隧洞运行安全予以权衡，在工程造价增加不大的前提下，为保证隧洞安全运行，陡坡隧洞设计宜采用锐缘进口形式，尽量避免明满交替流发生。

3．4 其他措施

对于陡坡隧洞，当1．2＜H／a＜k2s、隧洞长度较短时，可合理设计隧洞断面尺寸及洞高，使H／a可避免明满交替流发生。在地形、地质及下游消能防冲布置允许的情况下，应尽量减小洞长l，使l＜lks，可减小明满交替流发生的流量区间。

4 结论与建议

（1）陡坡隧洞易于形成明满交替流，明满交替流是一种时而无压、时而有压的不稳定水流状态，会对隧洞产生空化空蚀、振动、冲击破坏。国内外对具有高速水流且易于发生明满交替流的陡坡隧洞中出现的明满流交替问题的研究则极少，有待深入研究。

（2）陡坡隧洞明满交替流形成的主要影响因素包括洞前相对淹没深度H／a、隧洞体型（隧洞底坡、进口顶部体型、洞高、洞长、是否有转弯段、闸门井等）、进口引渠布置以及由上述因素形成的吸气漩涡、闸门井吸气影响等。

（3）综合考虑工程地形、地质、工程运用要求以及安全经济等因素，可采取调整相对淹没深度H／a、进口布置对称性以及回旋空间大小、进口体型优化等消涡措施，采取进口体型优化、出口压坡等消除闸门井吸气措施，采取优化与选择隧洞进口顶部体型以及优化洞高、洞长等措施，达到改善陡坡隧洞的明满交替流的目的。

（4）陡坡隧洞除洞内流态复杂外，还存在泄流能力缺乏成熟计算方法、洞内负压段长度较大且绝对值较大、洞内流速较大、出口下游消能防冲等水力学问题，均有待深入研究。

［1］ 李学海，石教豪，曾正春．马来西亚某水电站施工导流（两洞方案）1∶80水工整体模型试验成果报告［R］．武汉：长江科学院，2009．（LIXue hai，SHI Jiao hao，ZENG Zheng chun．Report on the 1∶80 Integral Hydraulic Model Test for the Construction Diversion（Double Tunnel Scheme）of a Hydropower Station in Malaysia［R］．Wu han：Yangtze River Scientific Research Institute，2009．（in Chinese））

［2］ 李学海，石教豪，曾正春．马来西亚某水电站施工导流（单洞方案）1∶80水工整体模型试验成果报告［R］．武汉：长江科学院，2009．（LIXue hai，SHI Jiao hao，ZENG Zheng chun．Report on the 1∶80 Integral Hydraulic Model Test for the Construction Diversion（Single Tunnel Scheme）of a Hydropower Station in Malaysia［R］．Wu han：Yangtze River Scientific Research Institute，2009．（in Chinese））

［3］ 马永锋，余胜祥，陈超敏．陡坡导流隧洞结构设计实践［J］．人民长江，2011，42（16）：18－20．（MA Yong feng，YU Sheng xiang，CHEN Chao min．Practice of Structural Design of Steep Diversion Tunnel［J］．Yangtze River，2011，42（16）：18－20．（in Chinese））

［4］ 石教豪，盛 君．缅甸某水电站下坝线混凝土重力坝方案支流施工导流1∶85水工整体模型试验研究报［R］．武汉：长江科学院，2011．（SHI Jiao hao，SHENG Jun．Report on the 1∶85 Integral Hydraulic Model Test for the Construction Diversion of the Tributary of a Hydropower Station in Burma［R］．Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2011．（in Chinese））

［5］ CHAUDHRY M H．实用水力过渡过程［M］．陈家远，孙诗杰，张治滨，译．成都：四川省水力发电工程学会，1985．（CHAUDHRY M H．Practical Hydraulic Transition Process［M］．Translated by CHEN Jia yuan，SUN Shi jie，ZHANG Zhi bing．Chengdu：Sichuan Provincial Society of Water Power Engineering，1985．（in Chinese））

［6］ WIGGERTD C．Transient Flow in Free Surface，Pressur ized Systems［J］．Journal of the Hydraulics Division，1972，98（1）：11－27．

［7］ SONG C，CARDIE J，LEUNG K．Transient Mixed Flow Models for Storm Sewers［J］．Journal of Hydraulic Engi neering，ASCE，1983，109（11）：1487－1504．

［8］ 许景贤，林斌良．二滩水电站尾水隧洞过渡过程中明满流的试验研究［J］．水力发电学报，1990，（4）：58－70．（XU Jing xian，LIN Bin liang．Experimental Study on Mixed Free Surface Pressure Flow in Transition Process of Tail Tunnel for Ertan Hydropower Station［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，1990，（4）：58－70．（in Chi nese））

［9］ 许景贤，丁振华．导流洞改作水电站尾水洞过渡过程明满流机理［J］．天津大学学报，1996，29（5）：664－672．（XU Jing xian，DING Zhen hua．Study on Mechanism of Free Surface Pressurized Flow in Transforming Diversion Tunnel into Hydropower Tailrace Tunnel［J］．Journal of Tianjin University，1996，29（5）：664－672．（in Chinese））

［10］丁振华，许景贤．导流洞改作发电尾水洞过渡过程中明满流的数学模型［J］．水利学报，1996，（9）：1－10，21．（DING Zhen hua，XU Jing xian．A Mathematical Model for Simulation of Transient Flow in Tailrace Tunnel Trans formed from Diversion Tunnel［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1996，（9）：1－10，21．（in Chinese））

［11］陈家远．水电站尾水系统中明满交替水流的数学模拟研究［J］．水力发电学报，1994，（4）：51－60．（CHEN Jia yuan．Mathematical Simulation Study on Mixed Free Sur face Pressure Flow in Tail Water System of Hydropower Station［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，1994，（4）：51－60．（in Chinese））

［12］李 辉，陈乃祥，樊红刚，等．具有明满交替流动的三峡右岸地下电站的动态仿真［J］．清华大学学报：自然科学版，1999，39（11）：29－31．（LIHui，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），1999，39（11）：29－31．（in Chinese））

［13］陈乃祥，孔庆蓉，樊红刚，等．明满交替流特征隐式格式法计算模型在工程中的应用研究［J］．水力发电学报，2005，24（5）：85－89．（CHEN Nai xiang，KONG Qing rong，FAN Hong gang，et al．Research on Characteristic Implicit Method Applied for Calculating Mixed Free Sur face to Pressure Flow in Model of Project［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2005，24（5）：85－89．（in Chi nese））

［14］樊红刚，陈乃祥．明满混合瞬变流动仿真计算分析［J］．清华大学学报：自然科学版，2000，40（11）：63－66．（FAN Hong gang，CHEN Nai xiang．Simulation of Transi ent Mixed Free Surface Pressure Flow［J］．Journal of Tsin ghua University（Science and Technology），2000，40（11）：63－66．（in Chinese））

［15］樊红刚，陈乃祥，杨 琳，等．明满交替流动计算方法研究及其实验验证［J］．工程力学，2006，23（6）：16－20．（FAN Hong gang，CHEN Nai xiang，YANG Lin，et al．Numerical Simulation and Experimental Verification of Transient Mixed Free Surface Pressure Flow［J］．Engi neering Mechanics，2006，23（6）：16－20．（in Chinese））

［16］褚宝鑫，樊红刚，陈乃祥．具有明满交替流大型水电站的动态数值模拟及优化设计研究［J］．工程力学，2003，20（4）：166－170．（CHU Bao xin，FAN Hong gang，CHEN Nai xiang．Simulation and Optimum Design of Transient Mixed Free Surface Pressure Flow for the Hydropower Sta tion［J］．Engineering Mechanics，2003，20（4）：166－170．（in Chinese））

［17］杨开林．明渠结合有压管调水系统的水力瞬变计算［J］．水利水电技术，2002，33（4）：5－9．（YANG Kai lin．Simulation of Hydraulic Transients in Water Diversion Pro jects with Open Channels and Pressurized Pipelines［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2002，33（4）：5－9．（in Chinese））

［18］郭晓晨，周玉文．明满交替流数值模拟中的精细积分法［J］．水动力学研究与进展：A辑，2006，21（4）：533－537．（GUO Xiao chen，ZHOU Yu wen．Precise Integration Method for Numerical Simulation of Transient Mixed Free Surface Pressure Flow［J］．Journal of Hydrodynamics（Ser．A），2006，21（4）：533－537．（in Chinese））

［19］陈 杨，俞国青．明满流过渡及跨临界流一维数值模拟［J］．水利水电科技进展，2010，30（1）：80－84，94．（CHEN Yang，YU Guo qing．One dimensional Numerical Simulation of Transcritical Flows and Transition Between Free Surface and Pressurized Flows［J］．Advances in Sci ence and Technology ofWater Resources，2010，30（1）：80－84，94．（in Chinese））

［20］茅泽育，赵雪峰，赵 璇，等．排水管网非恒定流数值模拟新方法［J］．水利水运工程学报，2007，（2）：42－47．（MAO Ze yu，ZHAO Xue feng，ZHAO Xuan，et al．A New Method for Simulation of Unsteady Flow within Drain age Network［J］．Hydro Science and Engineering，2007，（2）：42－47．（in Chinese））

［21］冯良记，张明亮．城市排水管网明满过渡流模型的研究及应用［J］．中国给水排水，2009，（23）：131－137．（FENG Liang ji，ZHANGMing liang．Study and Applica tion of Free surface pressurized Flow Mathematical Model for Urban Drainage Networks［J］．China Water and Wastewater，2009，（23）：131－137．（in Chinese））

［22］汪 俊，桂 林．有压输水管道中明满流产生与进口段布置的关系探讨［J］．四川水利，2007，28（4）：32－34．（WANG Jun，GUI Lin．Exploring the Relationship be tween Mixed Free Surface Pressure Flow and Inlet Section Arrangement in Pressure Conduit［J］．Sichuan Water Con servancy，2007，28（4）：32－34．（in Chinese））

［23］李 炜．水力计算手册（第2版）［M］．北京：中国水利水电出版社，2006．（LIWei．Manual of Hydraulic Calcu lation（Second Edition）［M］．Beijing：ChinaWater Power Press，2006．（in Chinese））

［24］马吉明．弯道隧洞内的明满流现象及有关水力学问题［J］．红水河，1997，16（1）：23－24．（MA Ji ming．Mixed Free Surface Pressure Flow in Curved Tunnel and the Re lated Hydraulics Problems［J］．Hongshui River，1997，16（1）：23－24．（in Chinese））

［25］李学海．江坪河水电站施工导流试验报告［R］．武汉：长江科学院，2004．（LI Xue hai．Report on the Integral Hydraulic Model Test for the Construction Diversion of Jiangpinghe Hydropower Station［R］．Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2004．（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

Causes and Control M easures of M ixed Free Surface Pressure Flow in Steep slope Tunnel

LIXue hai1，LIHeng2，SHIJiao hao1
（1．Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Construction Department，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，ChangjiangWater Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Themixed free surface pressure flow which is easily formed in steep slope tunnels results in cavitation e rosion，vibration and impact damage．On the basis ofmodel test data of steep slope tunnels，the influencing factors and the controlmeasures ofmixed free surface pressure flow in steep slope tunnel is researched．It’s found that the main influencing factors include relative submerge depth H／a，tunnel shape（bottom slope，inlet top shape，tunnel height，tunnel length，bending section，gate shaft），inlet approach channel configuration and the consequent air suction swirl and air intake in the gate shaft．According to the terrain condition，geological condition，project func tion，operation safety and economic factor，measures as follows can be adopted to control the mixed free surface pressure flow in steep slope tunnel：vortex suppression，air intake suppression in gate shaft，and optimization of in let top shape，tunnel height and tunnel length．

steep slope tunnel；influencing factor；mechanism of formation；controlmeasures

TV131．3

A

1001－5485（2013）08－0040－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．010

2013，30（08）：40－45

2013－05－03；

2013－06－03

国家自然科学基金面上资助项目（51279014）

李学海（1966－），男，湖南宁乡人，教授级高级工程师，博士，主要从事水力学及流态力学方面的研究，（电话）027－82829903（电子信箱）65689＠sina．com。