泄洪隧洞洞前预留岩坎对隧洞沿程水面线的影响研究——以响洪甸水库新泄洪隧洞为例

张波

（水利水资源安徽省重点实验室安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院蚌埠233000）

泄洪隧洞洞前预留岩坎对隧洞沿程水面线的影响研究
——以响洪甸水库新泄洪隧洞为例

张波

（水利水资源安徽省重点实验室安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院蚌埠233000）

根据水利工程实际水文、地形及枢纽布置等条件，在进行“龙抬头”式泄洪隧洞工程建设时，为有效降低临时挡水建筑物的规模及投资，常在隧洞洞前预留岩坎作为挡水围堰。但工程竣工后，进行围堰拆除时，要将围堰完全清除则较为困难，这极易导致隧洞进流不均匀，对水流进入无压洞后的流态造成不良影响。为研究洞前岩坎高度对隧洞洞内流态及沿程水面线的影响，本文通过模型试验进行研究对比，揭示了不同岩坎高度对隧洞无压段水面线的影响程度，提出了不对无压洞流态及水面线造成重大影响的岩坎安全高度。

泄洪隧洞预留岩坎流态水面线

1　引言

泄洪隧洞洞前预留岩坎可充分利用水文条件、自然地形和枢纽布置条件，有效地降低临时挡水建筑物的规模和投资，在相应主体工程竣工后再对预留岩坎进行拆除施工，以满足工程运行要求。

预留岩坎通常采用爆破拆除，但预留岩坎处坎外水深通常较大，且岩坎一般距主体建筑结构及其他设施较近，拆除时的安全控制要求较高，拆除后水下开挖出渣难度较大，故岩坎拆除通常不完全，这极易导致隧洞进流不均匀，进而对隧洞的流态及沿程水面线产生影响。

响洪甸水库新泄洪隧洞为“龙抬头”式泄洪隧洞，其进口为一段有压短管（中设一检修门，出口设一工作门），洞身为无压流。其体型由有压段、竖曲线段、斜坡段、反弧段和下平洞段组成。本文以响洪甸水库新泄洪隧洞为例，详细分析了不同预留岩坎高度对“龙抬头”式泄洪隧洞流态及沿程水面线的影响。

2　工程简介

响洪甸水库位于淮河中游南岸支流淠河的西源——西淠河的上游，地处金寨县境内，坝址距六安市58 km，距合肥市137 km，距淠河入淮口174 km，是20世纪50年代治淮初期兴建的一座以防洪、灌溉为主，兼有发电、水产、航运等综合效益的大（1）型水利枢纽工程。水库于1956年4月开工建设，1958年7月竣工，同期开始蓄水。水库总库容26.32亿m3。

老泄洪隧洞位于大坝右岸，全长303.09m，洞径7m，钢筋混凝土衬砌。进口为喇叭形斜井，设有3m×7m平板门两扇，出口设3m×7m平板滚轮控制闸门1扇。

响洪甸水库新建泄洪隧洞进口位于大坝右岸范家冲内，与老泄洪隧洞紧邻，两洞轴线平行布置，相距约50.00m。出口位于厂房下游约70.00m处，包括进、出口明渠，隧洞全长269.231m。采用深式有压短进口、明流无压洞身结构形式。进口底槛高程112.00m，设置8.00m×8.50m弧形工作闸门及8.00m×8.50m平板事故闸门各1扇，启闭机房设在竖井顶部145.00m高程平台上，并在事故闸门井130.50m高程设一检修平台。无压洞身段为圆拱直墙式城门形断面，标准断面底宽8.00m、高10.50m，底坡为0.05，出口处高程为78.41m，采用挑流消能。

响洪甸新泄洪隧洞进口底板高程为112.00m，新洞前开挖高程为110.40m，原布置方案洞前预留岩坎高程为118.00m。新洞有压洞进口高度为11.25m，出口高度为7.00m。

3　模型设计

隧洞流态及沿程水面线采用单体模型进行模拟研究。为保证单体模型的进口流态与原型相似，新洞单体模型进流采用宽顶堰泄流以均匀进流，并在水舌下布置消能格栅；新洞单体模型纵向模拟至洞前约150.00m，横向左右侧宽约330.00m，库内地形模拟至145.00m等高线；下游取至洞出口下游约150.00m。

根据《水工（常规）模型试验规程》（SL 155-2012）对相似性的要求，并考虑经济合理，单体模型比尺选定为1∶30。

4　泄洪隧洞洞前岩坎对隧洞流态及沿程水面线的影响

隧洞进流自岩坎跌下到达洞口，在岩坎前形成负压，致使水流主流进入隧洞无压洞后发生不稳定的左右摆动，新洞斜坡段水面线极不稳定。设计洪水时新洞斜坡段水花频繁撞击洞顶，反弧段后，水流基本对称均匀。因岩坎对反弧段后流态的影响较小，故本文重点研究不同岩坎高度对新洞斜坡段的流态及水面线的影响。

表1　各岩坎高程设计洪水新洞无压段三个典型断面水深

新洞斜坡段水面线的不稳定左右摆动是受进洞水流的不均匀性影响，加之洞前岩坎高度过高造成。为研究不同岩坎高度对进洞水流的影响程度，试验针对不同岩坎高度对隧洞无压段水面线稳定性的影响进行对比，通过分析新洞无压段沿程水面线的稳定性来判断岩坎的影响。因原布置方案岩坎高程过高，致使新洞斜坡段流态很差，故本文主要比较岩坎高程为112.00m、114.00m和116.00m时新洞斜坡段的流态及水面线稳定性。

因无压洞水面线不稳定主要发生在竖曲线段、斜坡段及反弧段，故试验选取这3段中的典型断面0+027.000、0+047.300和0+062.700来分析代表性工况——设计洪水条件下的水面线变化。

4.1预留岩坎高程112.00m

岩坎高程为112.00m时，岩坎高程与新洞进口底板高程一致。新洞设计洪水时进流均匀平顺，洞前漩涡小于原布置方案，有压洞内总体流态平顺，斜坡段水流基本平顺,偶尔有水花溅起，水花溅起高度未超过边墙高度。

4.2预留岩坎高程114.00m

岩坎高程为114.00m时，岩坎比新洞进口底板高2.00m，岩坎阻挡后，新洞有压洞进口高度为9.25m，比有压洞出口高度大2.25m。新洞设计洪水时进流均匀平顺，洞前漩涡小于原布置方案，有压洞内总体流态平顺，斜坡段水流较为平顺,偶尔有水花溅起，水花溅起高度未超过边墙高度。

4.3预留岩坎高程116.00m

岩坎高程为116.00m时，岩坎比新洞进口底板高4.00m，岩坎阻挡后，新洞有压洞进出口高度基本一致。新洞设计洪水时进流均匀平顺，洞前漩涡小于原布置方案，有压洞内总体流态平顺，斜坡段水流较不稳定，时而出现水流封顶现象。

各岩坎高程设计洪水新洞无压段3个典型断面水深见表1。

由表1可以看出，新洞洞前岩坎高程对新洞无压洞内的流态影响很大。新洞进口岩坎高程为112.00m时，岩坎高程与隧洞进口底板高程一致，新洞无压段水流流态较好，水面线基本平稳，水面线的波动是因隧洞进口左右侧山体不对称造成；岩坎高程为114.00m时，岩坎对新洞进流流态有一定影响，新洞斜坡段水面较为稳定，但时而有水花溅出，未出现水流封顶现象；岩坎高程为116.00m时，岩坎对新洞进流有较大影响，新洞斜坡段水面较不稳定，时而出现水流封顶现象。洞前岩坎高程越高，新洞无压段水面波动越剧烈。

若进一步考虑掺气水深的影响，岩坎高程为116.00m时，无压段水流对隧洞洞顶的影响更为严重。为保证工程的安全使用，保持新洞无压段水面线的稳定性，应控制洞前岩坎高程不超过114.00m。

另外，若岩坎表面不平整，或左右侧高差较大，岩坎对隧洞进流的不利影响大于岩坎平整时对隧洞进流的影响。

5　结论

为保证响洪甸水库新泄洪隧洞的安全使用，保持新洞无压段水面线的稳定性，应控制新泄洪隧洞洞前岩坎高程不超过114.00m。“龙抬头”式泄洪隧洞进口有压段较短，洞前地形对隧洞进流的影响较大。隧洞洞前岩坎拆除的不均匀性将直接影响隧洞无压段水面线的稳定，实际施工中，洞前岩坎的拆除应尽量完全、平整，若岩坎残留较多，应根据实际情况进行研究分析