CN105350502A - 改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的方法，属于改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的工程方法。弯道消力池进口斜坡段必须布置在隧洞直线段上，通过推导出的弯道消力池计算方法计算消力池的池深；弯道消力池进口斜坡坡度与水流入射角度一致，在进口斜坡下部布设台阶，弯道消力池宽度与隧洞洞身一致；弯道消力池出口斜坡段应布置在下游直线段上，消力池出口斜坡段同样布设台阶状斜坡，台阶高度宜为消力池池深的1/2，计算消力池总长。本发明改善了无压隧洞内急弯段高速水流流态，同样可改善无压隧洞各种弯道高速水流的水流流态或中、低速水流急弯段的水流流态，使无压隧洞曲线布置更为灵活，具有很好的实用性和应用前景。

Description

改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的方法

技术领域

本发明涉及一种改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的工程方法，具体的说是在无压隧洞内急弯段上布设消力池，消除弯道高速水流冲击波，改善无压隧洞洞内水流流态的方法。

背景技术

隧洞是指在山体中或地下开凿的过水洞。水工隧洞可用于灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航。水流在洞内具有自由水面的，称为无压隧洞。

高速水流是指水流流速在15m/s～20m/s以上的水流。与中、低速水流相比，高速水流与过水边界的变化对水流的影响非常敏感。即使侧壁几何条件有微小的变化也可使水面产生冲击波。

隧洞线路水工隧洞是水利枢纽中的重要组成部分之一。隧洞线路必须与水利枢纽的建设任务相适应，并须根据地形、工程地质和水文地质、水文等条件选定。《水工隧洞设计规范》(SL279-2002)、《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)中规定，隧洞洞线在平面上宜布置为直线，低流速无压隧洞若采用曲线布置时，弯曲半径不宜小于5倍洞径(洞宽)，转角不宜大于60°，在弯道首尾设置直线段，其长度不宜小于5倍洞径(洞宽)；高速水流无压隧洞不应设置曲线段。而在实际工程中，在地形、地质等条件的限制下，在隧洞线路上设置曲线段往往是最经济的选择，而高速水流无压隧洞在弯曲段上如何布置，至今没有相关成功的工程经验。

高速水流无压隧洞弯曲段的布置首要问题是解决高速水流进入弯道形成的冲击波问题。通常，由弯道水流引起的急流冲击波是在两个条件共同作用下产生的，一个条件是水流为急流，另一个条件是水流边界发生变化，也就是当泄槽中水流为急流时，由于渠槽边壁偏转变化而使水流产生扰动，使下游形成一系列呈菱形的扰动波。急流冲击波不但会引起下游水流扰动，还有可能顶冲至隧洞洞顶，对隧洞的稳定极为不利。目前明渠中常用的几种消减弯道急流冲击波的方法为渠底超高法、弯曲导流板法、复曲线段法、斜槛法等。对于弯道高速水流而言，过水边界的改变不仅无法解决弯道冲击波问题，由于过水边界的改变，高速水流将会在形成新的冲击波，上述通过改变过水边界的方法均无法解决洞内弯道水流引起的水流冲击波问题，如何解决高速水流无压隧洞弯道冲击波的问题亟待研究。

此外，在上述规范中，在考虑弯道水流冲击波的影响下，对无压隧洞的曲线布置的转弯角度、转弯半径都进行了限制性的规定，探索一种更为有效的改善弯道水流冲击波的工程型式，更加灵活的布置洞线，对无压隧洞来说具有重要的意义。

消力池中水流流态属于典型的水跃，在很短的水平渠段内水深从小于临界水深急剧地跃到大于临界水深，随着水流运动要素的急剧变化，水流紊动、混掺强烈，旋涡与主流间水体不断能量交换，致使水跃段内有较大的能量损失，因此可利用水跃来消除水闸等泄水建筑物下游高速水流中的巨大能量。《水力学》(吴持恭主编，第二版)和《水闸设计规范》(SL265-2001)中根据自然水跃基本理论详细介绍了水闸下游棱柱体水平明渠底流消能的基本原理和消力池深度、长度计算公式，而弯道消力池由于弯道水流的横向比降和冲击波的影响，由于弯道底流消能还没有完善的理论基础，因此弯道消力池的池深和池长如何确定亟待研究。

对于高速水流来说，水流需要经过很长的斜坡段才能进入消力池中，而在实际工程中，特别是在弯道的进口段，斜坡段的距离往往不足以使水流进入消力池，因此弯道消力池的进口体型的确定是弯道高速水流消能的关键。

发明内容

本发明提供一种改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的方法，以解决高速水流无压隧洞弯道冲击波的问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(1)弯道消力池进口斜坡段必须布置在隧洞直线段上，但要与工作闸门保持一定的距离，为避免低水头运行下淹没混合流水跃上溯至工作闸门，消力池进口斜坡段要与弧门支铰距离2.0m以上；

(2)通过推导出的弯道消力池计算方法计算消力池的池深；

(3)弯道消力池进口斜坡坡度与水流入射角度一致，可通过模型试验进行观测确定。在进口斜坡下部布设台阶，台阶高度为1/2～3/4消力池池深；

(4)弯道消力池宽度与隧洞洞身一致；

(5)弯道消力池出口斜坡段应布置在下游直线段上。消力池出口斜坡段同样布设台阶状斜坡，台阶高度宜为消力池池深的1/2，斜坡坡度一般为1:3或1:4；

(6)以上布置完成后，计算消力池总长；

所述弯道消力池的计算公式：

d_w＝σ₀h″_cw-h_s′-△Z(1)

h″_cw＝h″_c+△h_p+△h_j(2)

$h_c^{\′\′}=\frac{h_c}{2}(\sqrt{1+\frac{8{\mathrm{\αq}}^2}{{\mathrm{gh}}_c^3}}-1){\left(\frac{b_1}{b_2}\right)}^{0.25}---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δh}}_p=\frac{{\mathrm{bv}}^2}{2r_{0}g}---\left(4\right)$

$v=\frac{{\mathrm{qb}}_1}{b_2{h}_c^{\′\′}}---\left(5\right)$

△h_j＝k△h_p(6)

式中d_w——弯道消力池深度(m)；

σ₀——水跃淹没系数，可采用1.05～1.10；

h_cw″——弯道消力池跃后水深(计入弯道平衡水面超高、冲击波超高)(m)；

h_c″——棱柱体渠道消力池跃后水深(m)；

△h_p——弯道跃后断面平衡水面超高(m)；

r₀——弯道转弯半径(m)；

v——弯道跃后断面平均流速(m/s)；

△h_j——弯道跃后断面冲击波水面超高(m)；

k——冲击波超高系数，弯道消力池轴线为简单圆曲线时k＝1；弯道消力池轴线为前后带有过渡圆弧段的三段复合圆弧曲线时k＝0.2；

h_c——弯道跃前断面收缩水深(m)；

α——水流动能校正系数，可采用1.0～1.05；

q——过闸单宽流量(m²/s)；

b₁——弯道矩形消力池首端宽度(m)；

b₂——弯道矩形消力池末端宽度(m)；

T₀——由弯道消力池底板顶面算起的总势能(m)；

△Z——弯道消力池出池水位落差(m)；

h_s′——弯道消力池出池出池隧洞水深(m)。

所述弯道消力池长度计算公式：

L_sj＝L_s+βL_j(9)

L_j＝6.9(h_cw″-h_c)(10)

式中L_sj——弯道消力池长度(m)；

L_s——弯道消力池斜坡段水平投影长度(m)；

β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；

L_j——水跃长度(m)。

本发明提出了改善无压隧洞内急弯段高速水流的技术措施—在急弯段布设弯道消力池，提出了弯道消力池的布置型式，推导出了弯道消力池池深、池长的计算方法。改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的方法，填补了解决无压隧洞内弯道高速水流冲击波问题研究领域的空白，具有重要的实际意义。在无压隧洞内布设弯道消力池有效改善了弯道内水流流态，消除了弯道内高速水流冲击波，使弯道下游水流流态稳定，从根本上解决了无压隧洞内急弯段高速水流引起的水流冲击波这一技术难题。推导出的弯道消力池的计算公式具有重要的实际意义，为解决弯道高速水流问题提供了理论支撑；推导出的成果适用性强，具有广阔的应用前景。

本发明提出了适用于无压隧道内弯道消力池布设的位置及体型，布置型式上的优点如下：

1、弯道消力池消能需要水流大量掺气，在无压隧洞内布设的消力池通常需要设置通气井，专利方法所述的弯道消力池布设在工作闸门附近，充分利用闸门附近良好的通气条件，为布设弯道高速水流消能提供充足的掺气量，无需另设通气孔；

2、在无压隧洞内，在不同的运行工况下，运行水头差别很大，洞内流速也差别较大，在弯道消力池的设置上，既要满足高水头下高速水流的消能条件，又要在低水头下保证隧洞的安全稳定。在同一消能型式下，在高水头工况运行，为底流消能，而在低水头工况下运行，则为面流消能中的淹没混合流。淹没混合流产生向上游水跃，当水跃跃首上溯至闸门井，对闸门的稳定十分不利。专利所述的弯道消力池必须与闸门井保持一定的距离，最小为2.0m，能够同时满足不同工况安全运行的要求。

3、弯道消力池消能主要依靠在消力池内形成一定深度的水垫来进行消能，而对于无压隧洞内急弯段的高速水流来说，过水边界的变化会激发新的冲击波，为了将高速水流平稳进入消力池，水流不从消力池下游冲出，在转弯前必须使水舌全部进入消力池。专利方法所述的弯道消力池，在进口斜坡段、出口斜坡段均采用台阶状斜坡连接，有效的缩短了水舌，在弯道消力池内形成消能塘，使弯道高速水流能充分消能。

4、在弯道消力池进口斜坡段布设台阶可有效压缩水舌下部空腔，减小了对斜坡坡面的冲蚀；在消力池出口斜坡段布设台阶状斜坡可有效降低出池水位，减小隧洞断面高度，从而降低了工程造价。

本发明改善了无压隧洞内急弯段高速水流流态，同样可改善无压隧洞各种弯道高速水流的水流流态或中、低速水流急弯段的水流流态，使无压隧洞曲线布置更为灵活。从布置型式上来看，这种工程措施结构简单，造价低廉，适用范围广，具有很好的实用性和应用前景。

附图说明

图1是采用本发明方法布置的示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是应用例中工况一不采用本发明方法前流速流态图；

图4是应用例中工况二不采用本发明方法前流速流态图；

图5是应用例中工况一采用本发明方法前流速流态图；

图6是应用例中工况二采用本发明方法前流速流态图。

具体实施方式

本专利解决了无压隧洞急弯段高速水流的流态问题，适用性较广，同时适用于以下两种情况，

1)高速水流无压隧洞各种弯道的布置，特别适用于弯道距离工作闸门较近的工程；

2)中、低速水流无压隧洞各种弯道的布置，特别适用于急弯段布置。

发明专利方法具体实施步骤如下：

1)弯道消力池进口斜坡段必须布置在隧洞直线段上，但要与工作闸门保持一定的距离。为避免低水头运行下淹没混合流水跃上溯至工作闸门，消力池进口斜坡段要与弧门支铰(平板闸门门槽)距离2.0m以上；

2)通过推导出的弯道消力池计算方法计算消力池的池深；

3)弯道消力池进口斜坡坡度与水流入射角度一致，可通过模型试验进行观测确定。在进口斜坡下部布设台阶，台阶高度为1/2～3/4消力池池深；

4)弯道消力池宽度与隧洞洞身一致；

5)弯道消力池出口斜坡段应布置在下游直线段上。消力池出口斜坡段同样布设台阶状斜坡，台阶高度宜为消力池池深的1/2，斜坡坡度一般为1:3或1:4。

6)以上布置完成后，计算消力池总长；

弯道消力池中的水力现象有顺弯道轴线方向的水跃、垂直弯道轴线方向的弯道平衡水面、垂直冲击波扰动线方向的冲击波，这三种水力现象相互叠加、形成复杂的弯道消力池水流运动，从工程应用角度，弯道消力池内某处的水深可以认为是这三种水力现象的线性叠加；

对于弯道消力池跃前水深，可以采用棱柱体渠道消力池跃前水深；

对于弯道消力池跃后水深，可以采用直道消力池跃后水深、弯道平衡水面超高、冲击波超高三者的线性叠加；

弯道消力池的计算公式：

d_w＝σ₀h″_cw-h_s′-△Z(1)

h″_cw＝h″_c+△h_p+△h_j(2)

$h_c^{\′\′}=\frac{h_c}{2}(\sqrt{1+\frac{8{\mathrm{\αq}}^2}{{\mathrm{gh}}_c^3}}-1){\left(\frac{b_1}{b_2}\right)}^{0.25}---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δh}}_p=\frac{{\mathrm{bv}}^2}{2r_{0}g}---\left(4\right)$

$v=\frac{{\mathrm{qb}}_1}{b_2{h}_c^{\′\′}}---\left(5\right)$

△h_j＝k△h_p(6)

式中d_w——弯道消力池深度(m)；

σ₀——水跃淹没系数，采用1.05～1.10；

h_cw″——弯道消力池跃后水深(计入弯道平衡水面超高、冲击波超高)(m)；

h_c″——棱柱体渠道消力池跃后水深(m)；

△h_p——弯道跃后断面平衡水面超高(m)；

r₀——弯道转弯半径(m)；

v——弯道跃后断面平均流速(m/s)；

△h_j——弯道跃后断面冲击波水面超高(m)；

k——冲击波超高系数，弯道消力池轴线为简单圆曲线时k＝1；弯道消力池轴线为前后带有过渡圆弧段的三段复合圆弧曲线时k＝0.2；

h_c——弯道跃前断面收缩水深(m)；

α——水流动能校正系数，可采用1.0～1.05；

q——过闸单宽流量(m²/s)；

b₁——弯道矩形消力池首端宽度(m)；

b₂——弯道矩形消力池末端宽度(m)；

T₀——由弯道消力池底板顶面算起的总势能(m)；

△Z——弯道消力池出池水位落差(m)；

h_s′——弯道消力池出池出池隧洞水深(m)；

弯道消力池长度计算公式：

L_sj＝L_s+βL_j(9)

L_j＝6.9(h_cw″-h_c)(10)

式中L_sj——弯道消力池长度(m)；

L_s——弯道消力池斜坡段水平投影长度(m)；

β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；

L_j——水跃长度(m)。

下边通过工程实例来进一步说明本发明的效果。

本发明在松江河梯级双沟水电站生态流量泄放工程取得了成功的应用，生态流量泄放工程下泄流量为4.4m³/s，隧洞内为无压隧洞，隧洞洞径为1.5m，转弯半径为6.0m，转弯角为99.5°，即工程设计曲线段转弯半径与洞径之为4，小于《规范》规定的转弯半径与洞径之为不小于5，转弯角度大于《规范》规定的转弯角度不大于60°。

在两种工况下运行，工况一为死水位567.0m，弧门全开，工况二为正常蓄水位585.0m，弧门开度为20cm，下文简称工况一、工况二。在工况二下水流出闸时最大流速为18.9m/s，属高速水流，根据《规范》规定，高速水流无压隧洞不宜布设曲线段。

采用专利方法后，其详细布置图见图1和图2。主要尺寸确定方法如下：

1)消力池上游要与弧门支铰距离为2.0m以上，消力池进口斜坡段起点为桩号0+006.48m；

2)通过计算弯道消力池的池深为2m；

3)弯道消力池进口斜坡段坡度为1:5.4，斜坡段桩号为0+006.48m～0+009.18m，台阶高1.5m；

4)弯道消力池宽度与隧洞洞身一致；

5)弯道消力池出口斜坡段布置在弯道下游直线段上，桩号0+020.09m～0+023.09m；

6)弯道消力池出口斜坡段布设台阶状，台阶高度为1.00m，斜坡坡度为1:3。

7)通过计算，弯道消力池池长为16.61m，桩号为0+006.48m～0+023.09m

在原方案(不采用本发明)布置两个工况条件下，从流态上来看，弯道段及下游均发生折冲水流，水流左右摆动顶冲两侧边墙，特别是在工况二条件下，折冲水流已顶冲至洞顶，对隧洞的稳定极为不利。原方案布置两个工况条件下水流流速及分布见附表、附图3、附图4。

在采用本发明方法后，消力池进口水流沿斜坡段下泄，水舌下无空腔，弯道段及下游均不发生折冲水流，弯道下游流态稳定。消力池出口水位无明显壅高。

测得采用专利方法后两工况下水流流速及分布见附表、附图5、附图6。在采用专利方法后，在工况一条件下，为淹没面流式消能，水跃跃首上溯至消力池上游0+006.48m附近，与弧门铰距离2.23m。与原方案相比，0+008.00m至0+014.00m流速降低了约32.6％～68.5％，0+027.50m至0+033.50m流速降低了约3.4％～47.6％。

采用专利方法后，在工况二条件下，水流沿斜坡射入消力池底部，水跃跃首位于0+008.00m附近，断面最大流速为14.59m/s；水流进入消力池后翻滚，形成大尺度漩涡，流速明显下降，0+011.00m附近，断面最大流速为9.43m/s；0+008.00m至0+011.00m流速降低了约11.9％～59.5％；0+023.09m～0+030.50m范围内流速在3.00m/s左右，0+027.50m至0+030.50m流速降低了约44.3％～79.5％，0+030.50m下游流速降低了约10.2％～69.8％，在0+039.50断面开始，水流趋于平稳，向均匀流过渡。

在两种工况下，消力池内大量的掺气水体使水位略有壅高，原洞高可满足净空为15％的要求，经过一段距离调整后水面线保持平稳。

从测试结果来看，水流在进入消力池后，流速大幅降低，在工况二条件下，流速降低了约11.9％～79.5％，弯道段及下游均不发生折冲水流，弯道下游流态稳定，专利方法是改善改善隧洞内急弯段高速水流流态的有效途径。

附表采用专利方法前后两种工况下各断面流速值单位：m/s

备注：流速为断面底、中、表中最大流速值。

Claims (1)

1.一种改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)弯道消力池进口斜坡段必须布置在隧洞直线段上，但要与工作闸门保持一定的距离，为避免低水头运行下淹没混合流水跃上溯至工作闸门，消力池进口斜坡段要与弧门支铰距离2.0m以上；

(2)通过推导出的弯道消力池计算方法计算消力池的池深；

(3)弯道消力池进口斜坡坡度与水流入射角度一致，可通过模型试验进行观测确定。在进口斜坡下部布设台阶，台阶高度为1/2～3/4消力池池深；

(4)弯道消力池宽度与隧洞洞身一致；

(5)弯道消力池出口斜坡段应布置在下游直线段上。消力池出口斜坡段同样布设台阶状斜坡，台阶高度宜为消力池池深的1/2，斜坡坡度一般为1:3或1:4；

(6)以上布置完成后，计算消力池总长；

所述弯道消力池的计算公式：

d_w＝σ₀h″_cw-h_s′-△Z(1)

h″_cw＝h″_c+△h_p+△h_j(2)

$h_c^{\′\′}=\frac{h_c}{2}(\sqrt{1+\frac{8{\mathrm{\αq}}^2}{{\mathrm{gh}}_c^3}}-1){\left(\frac{b_1}{b_2}\right)}^{0.25}---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δh}}_p=\frac{{\mathrm{bv}}^2}{2r_{0}g}---\left(4\right)$

$v=\frac{{\mathrm{qb}}_1}{b_2{h}_c^{\′\′}}---\left(5\right)$

△h_j＝k△h_p(6)

式中d_w——弯道消力池深度(m)；

σ₀——水跃淹没系数，可采用1.05～1.10；

h_cw″——弯道消力池跃后水深(计入弯道平衡水面超高、冲击波超高)(m)；

h_c″——棱柱体渠道消力池跃后水深(m)；

△h_p——弯道跃后断面平衡水面超高(m)；

r₀——弯道转弯半径(m)；

v——弯道跃后断面平均流速(m/s)；

△h_j——弯道跃后断面冲击波水面超高(m)；

k——冲击波超高系数，弯道消力池轴线为简单圆曲线时k＝1；弯道消力池轴线为前后带有过渡圆弧段的三段复合圆弧曲线时k＝0.2；

h_c——弯道跃前断面收缩水深(m)；

α——水流动能校正系数，可采用1.0～1.05；

q——过闸单宽流量(m²/s)；

b₁——弯道矩形消力池首端宽度(m)；

b₂——弯道矩形消力池末端宽度(m)；

T₀——由弯道消力池底板顶面算起的总势能(m)；

△Z——弯道消力池出池水位落差(m)；

h_s′——弯道消力池出池出池隧洞水深(m)；

所述弯道消力池长度计算公式：

L_sj＝L_s+βL_j(9)

L_j＝6.9(h_cw″-h_c)(10)

式中L_sj——弯道消力池长度(m)；

L_s——弯道消力池斜坡段水平投影长度(m)；

β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；

L_j——水跃长度(m)。