引水隧洞进口明满流数值模拟

陈桂友 赵青 穆仁会

摘要：以雪山水库引水坝调洪演算成果和工程投资估算为依据，拟定引水隧洞断面尺寸和引水坝水位，校核水位2 449.99 m时，引水隧洞出现了明满交替流流态。采用有限体积法，运用计算流体力学数值模拟软件FLUENT对不同进水口型式的引水隧洞进口段进行数值模拟。在此基础上，比较引水隧洞在明满流流态下不同进水口型式的洞内脉动压强和水流速度沿水流方向变化情况，分析得出喇叭型进水口可更好的改善过流条件，减小明满流的不利影响。

关键词：引水隧洞；明满流；数值模拟；FLUENT；脉动压强

中图分类号：TV314 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0163-05

Abstract：Based on flood routing result and construction investment estimation of Xueshan Reservoir，the facture surface size of the diversion tunnel and the front water of diversion dam were proposed.The diversion tunnel presented a kind of flow which was the first mixed free-surface pressurized flow at maximum flood lever of 2 449.99 m.The diversion tunnel inducer of different water inlet styles was modeled by the CFD numerical software FLUENT.By analyzing the dynamic pressure and flow velocity in the case of this water flow along the diversion tunnel，the results indicated that the bell-mouth inlet could better improve the flow condition and reduce the negative impact of mixed free-surface pressurized flow.

Key words：diversion tunnel；mixed free-surface pressurized flow；numerical modeling；FLUENT；dynamic pressure

水利不仅是农业的命脉，而且是整个经济、社会发展的基础设施和基础产业，是治国安民的大事[1]。在水利行业的发展中，水工引水隧洞、水电站尾水洞出现了明满流[2-7]流态。明满流，是非恒定流[8]中的一种特殊流态，该流态是一种进口常伴随有吸气漩涡现象，在隧洞内夹杂有不稳定气囊使得隧洞内出现有压与无压周期性变化的不稳定状态，在水工隧洞、水电站尾水洞中均有可能发生[9]。我国盐锅峡导流底孔因为出现明满流，将3.0 m厚的混凝土墩穿透；印度巴克拉坝右岸导流洞出现明满流，冲毁闸门室和隔墙，造成厂房被冲毁，等等。明满流会对隧洞产生空蚀、振动和冲击破坏，形成的脉动压力关系到隧洞的稳定性分析，在水工设计和运行中，一般都是不允许这种流态出现的。如何保证隧洞的安全问题已成为一个重要课题，研究隧洞的水力特性和稳定性[10]具有重要的现实意义。纵观隧洞稳定性分析的发展历程，很多方法都没有从本质上解决问题，论文以雪山水库引水隧洞为例，运用计算流体力学数值模拟软件FLUENT模拟分析引水隧洞在出现明满流时洞内水流脉动压强和流速沿水流方向变化情况，明确隧洞在明满流时的水力特性。

1 工程概况

我省威宁县处于高寒地区，水资源严重匮乏且空间分布不均。随着社会经济发展，各行业对水的需求量有所提高，原有雪山水库蓄水不能满足当地农业灌溉和人畜饮水的需求。为了满足人畜饮水及农业生产要求，采取了引水（拖洛河右岸一级支流部分水资源）入库的方法，设计采用以需定供方式。引水隧洞设计综合考虑地形地质条件和经济投资，初拟隧洞底宽进行调洪演算。在最大引用流量时，水流出现了第一类明满交替流[11-15]。本文运用计算流体力学数值模拟软件FLUENT[16-18]对一般进水口和喇叭形进水口两种不同进水口型式的引水隧洞进行数值模拟，分析比较在明满流流态下，不同进水口型式引水隧洞内水流脉动压强和流速的沿程变化情况，最后分析得出明满流的运动规律。

1.1 断面尺寸拟定

引水隧洞建于引水坝左岸，进口底板高程与引水坝正常蓄水位同高2 445.00 m，设计采用以需定供的方法来设计引水隧洞尺寸，以引水坝正常蓄水位2 445.00 m为起调水位，初拟底宽3.6 m、2.6 m、2.4 m和2.0 m进行调洪演算，调洪演算结果如表1至表4。

引水坝防洪标准与雪山水库主坝一致，设计水位洪水标准取30年（P=3.33%），校核水位洪水标准取300年（P=0.33%）。根据以上调洪演算结果可见，底宽由3.6 m减小至2.0 m时引水坝上游校核水位分别为2 447.91 m增加到2 449.99 m，对引水工程的水位有一定影响，使得引水坝坝高也相应增大，从这个意义上说，隧洞底宽应取大值。但是综合考虑引水隧洞和引水坝总投资，经过初步估算，底宽由3.6 m减小至2.0 m时，总投资由1.21亿元降低至1.13亿元。由此可见，底宽越小，工程投资越小，在底宽为2 m时，最大泄量满足所需引用流量28 m³/s，因此选择了施工最小断面2 m底宽作为引水隧洞的底宽，此是相应的上游校核水位为2 449.99 m，设计水位为2 447.78 m。经过分析比较，最后选用城门洞型隧洞，底板宽2 m，边墙高1.8 m，顶拱直径为2 m，相应的半中心角为90°，隧洞底坡坡降为0.006。

1.2 水流流态分析

根据《水力计算手册》第二版第七篇水工隧洞的水力计算，隧洞水流的流态分为有三种：有压流、无压流和半有压流，半有压流又分为头部水流封闭而洞身为无压流和洞身前半部为有压流后半部为无压流的两种半有压流状态[19]。

对隧洞底坡的判别，可设无压均匀流水深h0趋于洞高a，求此时的流量，继而求出临界水深hk，当h0>hk为缓坡，反之为陡坡。引水隧洞校核水位为2 449.99 m，设计水位为2 447.78 m，底板高程为2 445.00 m，隧洞纵坡i=0.006，糙率n=0.015。

从表5可以看出，引水隧洞在上游水位为校核水位时，洞内水流为半有压流，即明满流状态，当上游水位为设计水位时，洞内水流为无压流状态。

2 明满流数值模拟

针对引水隧洞在校核水位时出现的明满流流态，采用计算流体力学（CFD）数值模拟软件FLUENT模拟分析引水隧洞在明满流流态下的脉动情况，建立两种不同进水口型式隧洞进口段模型，通过模拟计算结果分析得出运动规律。

2.1 引水隧洞进水口模型建立

如前分析所得，隧洞为洞身断面尺寸为2×2.8 m的城门洞型，坡降为0.006的缓坡，在校核水位2 449.99 m时出现明满流，为分析不同的进口型式对明满流流动的影响，此次分析建立两种不同型式的隧洞进水口沿水流方向取0+000.00～0+175.00段进行数值模拟：（1）进水口不做倒圆等其他处理，保持与隧洞洞身段一致的断面尺寸，沿水流方向均为等截面的模型。（2）进水口采用顶面和两侧面收缩，两边侧墙曲线为直径是7 m的1/4圆，顶面收缩采用1/4椭圆，短轴同洞宽2 m，长轴为6.78 m，后接城门洞型洞身段。

2.2 引水隧洞进口段模拟成果分析

通过GAMBIT建模导入FLUENT，在设定进边界条件后，选用非定常模型（湍流模型为标准模型），对上述两种不同进水口型式的引水隧洞进口段进行解算。

对一般进水口型式，选取0+003.39、0+050.00、0+100.00、0+150.00、0+200.00、0+241.00几个典型横剖面和引水隧洞纵剖面；对喇叭形进水口型式，选取0+003.39、0+050.00、0+100.00、0+150.00、0+175.00、0+241.00几个典型横剖面和引水隧洞纵剖面绘制脉动压强分布的等值线图、云墙图分别如图1、图2。

绘制一般进水口和喇叭形进水口型式两种不同进水口型式下，隧洞各个典型剖面最大流速沿水流方向曲线变化图见图3。

在上游校核水位时，隧洞内水流流态为明满流，一般进水口型式和喇叭形进水口型式脉动压强分布分别如图1和图2，结合各截面最大速度分布图进行综合分析可知如下结果。

（1）当进水口为一般进口型式时，最大脉动压强值出现0+075.00断面压强值为20.8 MPa；当为喇叭形进口型式时，沿水流方向最大脉动压强值出现在0+082.00断面压强值为19.4 MPa，但在喇叭形进口接城门隧洞处两侧壁面，出现局部增大现象，最大动压为大小为23.6 MPa。比较最大脉动压强值大小可知，在明满流工况下，采用喇叭形进水口可减小脉动压强，但是在与洞身连接处出现局部增大现象。

（2）不同进水口型式下，引水隧洞同一横截面的速度都是从隧洞中心向底板、侧墙逐渐减小，符合水流粘滞性规律。一般进水口型式时最大流速6.45 m/s，喇叭形进水口型式时最大流速为6.3 m/s，由《水力计算手册第二版》[14]第二篇可知，对于现场浇筑的混凝土防渗衬砌结构，其允许不冲流速为8 m/s，上述模拟结果均在允许范围之内。

（3）隧洞为喇叭形进水口型式时，沿水流方向最大速度在0+000.00～0+003.39段，最大流速急剧增大，在0+003.39～0+010.00段又急剧减小，在0+010.00～0+030.00段、0+030.00～0+075.00段增大，在0+075.00后略有降低，在0+125.00后趋于稳定，出现这样的趋势，其原因分析如下：在0+000.00～0+003.39段，由于喇叭形进口采用两侧和顶面收缩，断面面积收缩比较大，根据连续性方程可知，速度增大较快；在0+003.39～0+010.00段，虽然由于水位降落速度增加，但是在喇叭形进水口和城门隧洞连接处水流脉动较强，其作用大于由于水位降落对流速的改变，呈现出速度下降趋势；在0+010.00～0+075.00段，湍动强度减小，由于水流湍动对速度变化影响小于水库水位降的影响，速度开始慢慢回升；0+075.00时，水流收缩至最小水深，后出现雍水曲线流速减小，至最后断面水深趋于稳定后，流速也趋于稳定，出现了图示规律。

3 结论

（1）在校核水位时上游水深已超过隧洞顶，但又没有足够淹没水深保证隧洞为有压时形成明满流，采用喇叭型进水口可使洞内水流更加平顺，减小水流涡量、脉动压强，进而减小了明满流的不利影响。

（2）在明满流时水流湍动强烈，隧洞的底板和洞壁面出现局部负压，隧洞出现这样的水流流态且长时间处于这种工作状态，会对底板和衬砌造成不利影响，给水工建筑物的运行带来很大的安全隐患。在工程中应更好的合理利用地形和地质条件，尽量避免明满流的出现。

（3）通过模拟得出明满流时洞内脉动压强的分布情况，在后期隧洞稳定性分析中对内水压力的把握更加准确，并可用于指导后期施工。

（4）虽然喇叭形进水口可使得洞内水流更加平顺，减小了脉动压强，但是在与洞身连接处出现局部增大现象，施工中应做好相应部位加固处理。

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