CCS水电站输水隧洞水力特性研究

肖豫　邢建营　武彩萍

摘要：厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞连接首部枢纽沉沙池和调蓄水库，隧洞总长24.8 km，正常运行工况下输水隧洞为明流洞，在机组甩负荷关闭隧洞出口闸门时，隧洞后半段出现压力流，因此需要对输水隧洞进行全面水力特性分析，确保输水隧洞在各种工况下安全运行。分析隧洞过流能力、水面曲线、弯道水流特性以及出口闸关闭时间不同对洞内流态的影响、消力池冲刷等表明，输水隧洞正常运行工况下水流性态良好，通过出口闸门的适时调度，可将隧洞明满流过渡段控制在较小的范围内。

关键词：输水隧洞：水力设计;水工模型试驗：CCS水电站

中图分类号：TV62

文献标志码：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.06.020

1 输水隧洞布置及相关水力要求

1.1 输水隧洞布置

厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞连接首部枢纽沉沙池和调蓄水库，隧洞由进口及洞身段、出口闸室及消力池组成。进口位于首部枢纽沉沙池静水池下游侧，不设置闸门，可通过首部枢纽取水口工作门控制水流。输水隧洞进口底板高程为1 266.9 m，其后接输水隧洞，进口及洞身段总长24.8 km。隧洞出口底高程为1 224.0 m，纵坡坡降为0.173%。隧洞出口设置事故闸门，闸室段长20.0 m，闸室段后设护坦、跌水及消力池，总长80.3 m。

正常运行工况下输水隧洞为明流洞。机组甩负荷时，由于洞内水体全部进入调蓄水库后，将抬高库内水位，影响库区支沟生态环境，因此需临时关闭隧洞出口闸门，隧洞出口部分洞段因洞内水流持续向下游自流而逐渐出现压力流状态。

为确保整个工程在各种工况下安全运行和经济合理，在进行工程布置时，需要对隧洞的过流能力、水面衔接、水面曲线等进行全面分析，确定在正常运行工况下通过设计流量所需的最小断面。

1.2 水力要求

首部枢纽逐日流量与保证率关系见表1，逐日流量已扣除生态基流和基多引水共23 m/s的流量。

输水隧洞最大设计流量与最小设计流量分别采用222.00 m/s和72.70 m/s，其保证率分别可达到48%和98%。

在正常运行状况下，输水隧洞流量为设计流量，隧洞内水流流态为明流，洞内水面线以上净空比应不小于20%。当出口闸门由于紧急状况临时关闭时，隧洞短暂存在压力流状态。隧洞下游的消能设施应能满足工程安全运行要求。

2 输水隧洞水力学计算

2.1 糙率选择

对于长距离输水工程，工程设计中水力糙率n的取值对输水建筑物断面确定起着至关重要的作用，直接影响输水断面大小，进而影响工期和建设投资。CCS水电站长24.8 km的输水隧洞中约有1.5 km采用现浇混凝土衬砌，其他23.3 km采用预制管片衬砌，设计时糙率通过工程类比选用。国内外部分输水隧洞糙率取值情况见表2[1]。

CCS输水隧洞绝大部分洞段采用预制管片衬砌，管片环宽1.8 m，分缝较少。所有管片均由高精度钢模制作。根据数据分析，考虑到工程设计保留一定的允许误差，糙率设计值取0.014 5：在一维水力模型计算中，隧洞初期运行阶段洞内边墙较光滑，糙率取0.013 3，隧洞后期运行阶段糙率取0.014 5。

2.2 最小净空

我国《水工隧洞设计规范》[3]规定：低流速无压隧洞横断面尺寸应符合在恒定流情况下，当通气条件良好时，洞内水面线以上净空面积不宜小于隧洞断面面积的15%.高度不应小于0.4 m。

美国垦务局《Design of Small Dams》[4]要求：为保证隧洞内为明流，水流断面面积与隧洞总面积的比值通常控制在75%，即净空比不小于25%。

美国垦务局设计标准第3卷《Water ConveyanceFacilities， Fish Facilities， and Roads and Bridges》c5]规定水深为0.82倍隧洞内径（换算净空比为12.240-/0）。

结合中美相关规范的要求，CCS水电站输水隧洞最小净空比采用20%。

2.3 水力计算[6]

根据谢才公式和明渠均匀流的性质：

按照最大设计流量下最小净空比不小于200-/0的要求确定输水隧洞内径为8.2 m，相应的均匀流正常水深在流量为222.0 m/s时为6.13 m，在流量为72.7m/s时为3.06 m（见表3）。

采用明渠均匀流理论复核隧洞过流能力，推算隧洞全程水面曲线，复核隧洞的净空比。计算结果表明，在正常运行工况下，不同设计流量下隧洞全线过流能力均满足要求，不会发生明满流交替情况。

2.4 弯道水流

弯道水流[7]产生的离心力引起了弯道外侧水流水面的抬升及内侧水流水面的下降。弯道外侧水面与中心线理论水面的最大高差计算公式为中心线曲率半径。

输水隧洞弯道段水力计算结果见表4。

2.5 一维恒定流和非恒定流数值模拟

采用一维非恒定流数学模型[8]作为研究手段。首先构建输水隧洞一维非恒定流模型并进行验证，然后根据拟定的计算工况进行计算，结合计算结果分析不同计算条件下隧洞的水流特性，并为隧洞衬砌结构设计提供依据。

数值模拟中考虑了以下工况：①工况1，引水流量222.0 m3/s.出口处水位1 229.5 m（输水隧洞出口最高运行水位）;②工况2，引水流量222.0 m3/s，出口处水位1 216.0 m（输水隧洞出口最低运行水位）;③工况3.引水流量72.7 m/s，出口处水位1 229.5 m;④工况4.引水流量72.7 m/s，出口处水位1 216.0 m;⑤工况5，引水流量222.0 m/s、出口处水位1 229.5 m时，沉沙池闸门先行瞬间关闭，出口闸门延时20 min逐渐关闭，稳定后再重新开启;⑥工况6，引水流量222.0 m/s时，沉沙池闸门先行瞬间关闭，出口闸门控泄（控泄流量50.0 m/s），然后重新开启。

利用一维非恒定流数学模型研究了输水隧洞内不同运行条件下的水力特性，主要结论如下。

（1）基于Priessman提出的“窄缝法”对一维明渠非恒定流模型进行改进，建立了有压流动和无压流动的通用模型，并以此为基础研究输水隧洞内水流特性。模型验证结果表明：该模型能够较为准确地模拟不同条件下的恒定及非恒定流动，计算结果与实测结果吻合较好。

（2）隧洞运行后期的恒定流（工况1-4）计算结果表明：隧洞通过流量为222.0 m/s时，洞内正常水深为6.12 m，平均流速为5.24 m/s;隧洞通过流量为72.7m/s时，洞内正常水深为3.06 m，平均流速为4.04 m/s：由于隧洞内流态为急流，因此隧洞出口水位对洞内水流特性影响不大：隧洞运行初期采用的糙率小，洞内水深比运行后期小。

（3）隧洞运行后期非恒定流（工况5、6）计算结果表明：在闸门调节下，隧洞出口段出现明满流交替状态，在水力过渡过程中隧洞出口断面顶部的最大水击压强水头达30.84 m，运行初期同样工况下最大水击压强水头为29.21 m。

2.6 消力池冲刷计算

为确定消力池底板高程，采用Veronese、Yildiz&Uzucek、Damle、Chian Min Wu、Martins、Manson&Aru-mugan等公式进行消力池冲刷计算，计算结果见表5。

通过理论计算及水工模型试验验证，消力池底板高程采用1 203.0 m。

2.7 出口闸门关闭工况水力计算及运行要求

输水隧洞中部布置2B施工支洞，施工期作为TBM2拆机及出洞通道，TBM2拆除后改建为检修通道，洞口底板高程为1 261.5 m。当输水隧洞出口闸门关闭时，隧洞内剩余水量及不断补给的渗漏水量可能会造成隧洞内的水从2B洞口溢出。根据输水隧洞渗漏实测资料可知，其渗漏量为145 - 742 L/s。

假定闸门匀速关闭，出口闸泄水量持续减少，计算不同关闭闸门时间、渗漏量分别为145、742 L/s时，保证洞内水流不从2B洞口溢出的时间，结果见表6。运行时可以根据渗漏量监测资料和出口闸门设置的水位计观测结果选择出口闸门关闭时间。

3 水工模型试验

3.1 首部枢纽沉沙池输水隧洞进口模型试验

3.1.1 试验目的

首部枢纽沉沙池模型[9]包括取水口、沉沙池、输水隧洞进口前静水池和长300 m的输水隧洞，模型几何比尺取1：20。

模型试验目的是研究沉沙池沉沙和排沙效果、沉沙池出口水流與输水隧洞进口水面的衔接等。

3.1.2 试验内容

对于输水隧洞进口，具体试验内容如下：①研究沉沙池出口水流与输水隧洞进口水面的衔接：②观测沉沙池不同组合运用情况对输水隧洞进流的影响：③量测不同引用流量下隧洞进口段及洞身段水面线：④对输水隧洞进口体形进行优化。

3.1.3 结论及建议

进行多次水工模型试验得到以下结论：

（1）原设计方案输水隧洞进口体形为矩形，当引水流量为222.0 m/s时，静水池内流态基本平顺。水流自静水池进入输水隧洞后，在进口段产生明显的水面跌落，隧洞内水面波动较大。

（2）进口体形修改为进口两侧边墙曲线为半径4m半圆弧方案和1/4椭圆曲线方案时，洞内进口段水面跌落减小，洞内流态得到改善。但引水流量为222.0m/s时，洞内水流波动仍较大，且进口段局部最小洞顶高度余幅较小，建议将洞进口段及渐变段洞顶抬高1m，渐变段加长，以满足洞顶高度余幅的要求。

3.1.4 设计修正

根据水工模型试验结果，对输水隧洞进口段结构修正如下：①进口采用1/4椭圆曲线方案：②为满足洞顶高度余幅的要求，桩号0+000-0+270段隧洞内径加大为9.20 m;③桩号0+270-0+290为渐变段，隧洞内径由9.20 m渐变为8.20 m;④桩号0+290以后隧洞内径为8.20 m;⑤进口渐变段长度由15 m加长至20m，以避免脉动流冲击顶板，使水流流态更顺畅。

3.2 调蓄水库输水隧洞出口模型试验

3.2.1 试验目的

调蓄水库水工模型试验[1O]模拟范围包括整个调蓄水库。建筑物模拟输水隧洞出口段（模拟长度为400 m）、2条压力洞进口段（模拟长度为300 m）及放空洞进口段。模型几何比尺取1：40。

通过模型试验，研究输水隧洞正常运用和闸门启闭时出口消能效果，观测调蓄水库流态和流速分布，压力管道进口流态及压力分布，输水隧洞出流对压力管道进流流态的影响，库区淤积对电站引水的影响。

3.2.2 试验内容

（1）进行输水隧洞出口消能型式试验研究。

（2）验证正常运行工况设计流量222.0 m/s和最小流量72.7 m/s时对应调蓄水库正常蓄水位和死水位情况输水隧洞出口消能效果。

（3）观测非常运行工况输水隧洞出口闸门启闭时，对应调蓄水库死水位的输水隧洞出口流态。

3.2.3 结论及建议

通过多次水工模型试验得到以下结论。

（1）将输水隧洞出口闸室段由2孔调整为1孔，修改后闸室流态平顺。

（2）将消力池加深、加长后，不同流量下消力池消能充分，水流均匀平顺进入下游河道，水库内各断面流速分布均匀，电站进水口流态平顺，没有出现串通性漏斗旋涡。

（3）引水流量为72.7 m3/s，水库水位1 216.0 m时洞出口为自由跌水，出口段水面线为降水曲线：水库水位1 229.5 m时，受洞出口淹没影响，洞出口段水深较自由出流时明显增大。

（4）引水流量为222.0 m/s，水库水位1 216.0 m时，洞出口为自由跌水，出口段水面线为降水曲线;水库水位1 229.5 m时，洞出口为淹没出流，闸室段水深增大，但洞内水深与自由出流时变化不大。

（5）将输水隧洞出口护坦段右侧边墙扩散角减小为0°，水流出洞后主流摆向水库中部，水库流态得到改善。

（6）引水流量为222.0 m/s，当水库水位高于正常蓄水位1 229.5 m时，隧洞出口段将产生壅水，洞内水深大于设计正常水深，不满足洞内高度余幅设计要求。因此，输水隧洞出口底板最低高程不能低于1 224.0 m，

（7）消力池底板上压力水头随着调蓄水库水位的升高而增大，底板压力水头接近水深。

（8）根据输水隧洞出口闸门关闭时的水流条件，输水隧洞出口闸门接触到水面后洞内产生水击波，闸门关闭约1.6 min后水击波传播至距洞出口300 m处。闸门关闭过程中隧洞存在明满流过渡流态。

（9）根据输水隧洞出口闸门开启时的水流条件，闸门开启过程中水舌挑距相对较远，水库水面有较大波动。当沉沙池正常运行（闸前水头42.9 m）、输水隧洞出口闸门开启时，水库水面波动较设计水流条件时更为剧烈。

（10）局部修改消力池体形后，虽然在高水位时水库流态变化不大，但在死水位附近时水流流态得到改善。

3.2.4 设计修正

根据水工模型试验结果，对输水隧洞出口段结构修正如下：①出口闸室由2孔调整为1孔：②消力池底板高程降至1 203.0 m，消力池中心线长度加长至57.79 m;③根据试验结果局部修改消力池尾部体型，改善水流流态。

4 结语

CCS水电站输水隧洞存在不同运行工况下水力差异显著的问题，采取相关措施，将隧洞不利水力条件控制在较小的运行范围内，再结合闸门的适时调度，可以解决隧洞各运行阶段的相关水力学问题。CCS水电站输水隧洞自2016年竣工以来运行良好。

大流量、水流條件复杂的水工隧洞设计条件和运行条件都很特殊，仅通过工程类比和计算分析难以准确确定设计参数和工程措施，而其一旦失事或设计失误将造成较大甚至不易弥补的损失，故应结合局部或整体水工模型试验进行综合研究。

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