改善無壓隧洞內(nèi)急彎段高速水流流態(tài)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種改善無壓隧洞內(nèi)急彎段高速水流流態(tài)的工程方法，具體的說是在 無壓隧洞內(nèi)急彎段上布設(shè)消力池，消除彎道高速水流沖擊波，改善無壓隧洞洞內(nèi)水流流態(tài) 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隧洞是指在山體中或地下開鑿的過水洞。水工隧洞可用于灌溉、發(fā)電、供水、泄水、 輸水、施工導(dǎo)流和通航。水流在洞內(nèi)具有自由水面的，稱為無壓隧洞。
[0003] 高速水流是指水流流速在15m/s~20m/s以上的水流。與中、低速水流相比，高速 水流與過水邊界的變化對水流的影響非常敏感。即使側(cè)壁幾何條件有微小的變化也可使水 面產(chǎn)生沖擊波。
[0004] 隧洞線路水工隧洞是水利樞紐中的重要組成部分之一。隧洞線路必須與水利樞紐 的建設(shè)任務(wù)相適應(yīng)，并須根據(jù)地形、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、水文等條件選定?！端に矶丛O(shè)計(jì) 規(guī)范》（SL279-2002)、《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5195-2004)中規(guī)定，隧洞洞線在平面上宜 布置為直線，低流速無壓隧洞若采用曲線布置時，彎曲半徑不宜小于5倍洞徑（洞寬），轉(zhuǎn)角 不宜大于60°，在彎道首尾設(shè)置直線段，其長度不宜小于5倍洞徑（洞寬）；高速水流無壓 隧洞不應(yīng)設(shè)置曲線段。而在實(shí)際工程中，在地形、地質(zhì)等條件的限制下，在隧洞線路上設(shè)置 曲線段往往是最經(jīng)濟(jì)的選擇，而高速水流無壓隧洞在彎曲段上如何布置，至今沒有相關(guān)成 功的工程經(jīng)驗(yàn)。
[0005] 高速水流無壓隧洞彎曲段的布置首要問題是解決高速水流進(jìn)入彎道形成的沖擊 波問題。通常，由彎道水流引起的急流沖擊波是在兩個條件共同作用下產(chǎn)生的，一個條件是 水流為急流，另一個條件是水流邊界發(fā)生變化，也就是當(dāng)泄槽中水流為急流時，由于渠槽邊 壁偏轉(zhuǎn)變化而使水流產(chǎn)生擾動，使下游形成一系列呈菱形的擾動波。急流沖擊波不但會引 起下游水流擾動，還有可能頂沖至隧洞洞頂，對隧洞的穩(wěn)定極為不利。目前明渠中常用的幾 種消減彎道急流沖擊波的方法為渠底超高法、彎曲導(dǎo)流板法、復(fù)曲線段法、斜檻法等。對于 彎道高速水流而言，過水邊界的改變不僅無法解決彎道沖擊波問題，由于過水邊界的改變， 高速水流將會在形成新的沖擊波，上述通過改變過水邊界的方法均無法解決洞內(nèi)彎道水流 引起的水流沖擊波問題，如何解決高速水流無壓隧洞彎道沖擊波的問題亟待研究。
[0006] 此外，在上述規(guī)范中，在考慮彎道水流沖擊波的影響下，對無壓隧洞的曲線布置的 轉(zhuǎn)彎角度、轉(zhuǎn)彎半徑都進(jìn)行了限制性的規(guī)定，探索一種更為有效的改善彎道水流沖擊波的 工程型式，更加靈活的布置洞線，對無壓隧洞來說具有重要的意義。
[0007] 消力池中水流流態(tài)屬于典型的水躍，在很短的水平渠段內(nèi)水深從小于臨界水深急 劇地躍到大于臨界水深，隨著水流運(yùn)動要素的急劇變化，水流紊動、混摻強(qiáng)烈，旋渦與主流 間水體不斷能量交換，致使水躍段內(nèi)有較大的能量損失，因此可利用水躍來消除水閘等泄 水建筑物下游高速水流中的巨大能量。《水力學(xué)》（吳持恭主編，第二版）和《水閘設(shè)計(jì)規(guī) 范》(SL265-2001)中根據(jù)自然水躍基本理論詳細(xì)介紹了水閘下游棱柱體水平明渠底流消能 的基本原理和消力池深度、長度計(jì)算公式，而彎道消力池由于彎道水流的橫向比降和沖擊 波的影響，由于彎道底流消能還沒有完善的理論基礎(chǔ)，因此彎道消力池的池深和池長如何 確定亟待研究。
[0008] 對于高速水流來說，水流需要經(jīng)過很長的斜坡段才能進(jìn)入消力池中，而在實(shí)際工 程中，特別是在彎道的進(jìn)口段，斜坡段的距離往往不足以使水流進(jìn)入消力池，因此彎道消力 池的進(jìn)口體型的確定是彎道高速水流消能的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供一種改善無壓隧洞內(nèi)急彎段高速水流流態(tài)的方法，以解決高速水流無 壓隧洞彎道沖擊波的問題。
[0010] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，包括下列步驟：
[0011] (1)彎道消力池進(jìn)口斜坡段必須布置在隧洞直線段上，但要與工作閘門保持一定 的距離，為避免低水頭運(yùn)行下淹沒混合流水躍上溯至工作閘門，消力池進(jìn)口斜坡段要與弧 門支鉸距離2. Om以上；
[0012] (2)通過推導(dǎo)出的彎道消力池計(jì)算方法計(jì)算消力池的池深；
[0013] (3)彎道消力池進(jìn)口斜坡坡度與水流入射角度一致，可通過模型試驗(yàn)進(jìn)行觀測確 定。在進(jìn)口斜坡下部布設(shè)臺階，臺階高度為1/2~3/4消力池池深；
[0014] (4)彎道消力池寬度與隧洞洞身一致；
[0015] (5)彎道消力池出口斜坡段應(yīng)布置在下游直線段上。消力池出口斜坡段同樣布設(shè) 臺階狀斜坡，臺階高度宜為消力池池深的1/2,斜坡坡度一般為1:3或1:4 ;
[0016] (6)以上布置完成后，計(jì)算消力池總長；
[0017] 所述彎道消力池的計(jì)算公式：
[0026] 式中dw--彎道消力池深度（m);
[0027] σ0--水躍淹沒系數(shù)，可采用1. 05~I. 10 ;
[0028] h。/ 一一彎道消力池躍后水深（計(jì)入彎道平衡水面超高、沖擊波超高）（m);
[0029] h。" 棱柱體渠道消力池躍后水深（m);
[0030] Ahp一一彎道躍后斷面平衡水面超高（m);
[0031] r〇--彎道轉(zhuǎn)彎半徑（m);
[0032] V一一彎道躍后斷面平均流速（m/s);
[0033] Ahj--彎道躍后斷面沖擊波水面超高（m);
[0034] k--沖擊波超高系數(shù)，彎道消力池軸線為簡單圓曲線時k = 1 ;彎道消力池軸線 為前后帶有過渡圓弧段的三段復(fù)合圓弧曲線時k = 0. 2 ;
[0035] hc--彎道躍前斷面收縮水深（m);
[0036] α--水流動能校正系數(shù)，可采用I. 0~1. 05 ;
[0037] q--過閘單寬流量（m2/s);
[0038] b!一一彎道矩形消力池首端寬度（m);
[0039] b2一一彎道矩形消力池末端寬度（m);
[0040] T0一一由彎道消力池底板頂面算起的總勢能（m);
[0041] Δ Z--彎道消力池出池水位落差（m);
[0042] hsr 一一彎道消力池出池出池隧洞水深（m)。
[0043] 所述彎道消力池長度計(jì)算公式：
[0046] 式中Lsj--彎道消力池長度（m);
[0047] Ls一一彎道消力池斜坡段水平投影長度（m);
[0048] β 一一水躍長度校正系數(shù)，可采用0· 7~0· 8 ;
[0049] Lj--水躍長度（m)。
[0050] 本發(fā)明提出了改善無壓隧洞內(nèi)急彎段高速水流的技術(shù)措施一在急彎段布設(shè)彎道 消力池，提出了彎道消力池的布置型式，推導(dǎo)出了彎道消力池池深、池長的計(jì)算方法。改善 無壓隧洞內(nèi)急彎段高速水流流態(tài)的方法，填補(bǔ)了解決無壓隧洞內(nèi)彎道高速水流沖擊波問題 研究領(lǐng)域的空白，具有重要的實(shí)際意義。在無壓隧洞內(nèi)布設(shè)彎道消力池有效改善了彎道內(nèi) 水流流態(tài)，消除了彎道內(nèi)高速水流沖擊波，使彎道下游水流流態(tài)穩(wěn)定，從根本上解決了無壓 隧洞內(nèi)急彎段高速水流引起的水流沖擊波這一技術(shù)難題。推導(dǎo)出的彎道消力池的計(jì)算公式 具有重要的實(shí)際意義，為解決彎道高速水流問題提供了理論支撐；推導(dǎo)出的成果適用性強(qiáng)， 具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0051] 本發(fā)明提出了適用于無壓隧道內(nèi)彎道消力池布設(shè)的位置及體型，布置型式上的優(yōu) 點(diǎn)如下：
[0052] 1、彎道消力池消能需要水流大量摻氣，在無壓隧洞內(nèi)布設(shè)的消力池通常需要設(shè)置 通氣井，專利方法所述的彎道消力池布設(shè)在工作閘門附近，充分利用閘門附近良好的通氣 條件，為布設(shè)彎道高速水流消能提供充足的摻氣量，無需另設(shè)通氣孔；
[0053] 2、在無壓隧洞內(nèi)，在不同的運(yùn)行工況下，運(yùn)行水頭差別很大，洞內(nèi)流速也差別較 大，在彎道消力池的設(shè)置上，既要滿足高水頭下高速水流的消能條件，又要在低水頭下保證 隧洞的安全穩(wěn)定。在同一消能型式下，在高水頭工況運(yùn)行，為底流消能，而在低水頭工況下 運(yùn)行，則為面流消能中的淹沒混合流。淹沒混合流產(chǎn)生向上游水躍，當(dāng)水躍躍首上溯至閘門 井，對閘門的穩(wěn)定十分不利。專利所述的彎道消力池必須與閘門井保持一定的距離，最小為 2. Om，能夠同時滿足不同工況安全運(yùn)行的要求。
[0054] 3、彎道消力池消能主要依靠在消力池內(nèi)形成一定深度的水墊來進(jìn)行消能，而對于 無壓隧洞內(nèi)急彎段的高速水流來說，過水邊界的變化會激發(fā)新的沖擊波，為了將高速水流 平穩(wěn)進(jìn)入消力池，水流不從消力池下游沖出，在轉(zhuǎn)彎前必須使水舌全部進(jìn)入消力池。專利方 法所述的彎道消力池，在進(jìn)口斜坡段、出口斜坡段均采用臺階狀斜坡連接，有效的縮短了水 舌，在彎道消力池內(nèi)形成消能塘，使彎道高速水流能充分消能。
[0055] 4、在彎道消力池進(jìn)口斜坡段布設(shè)臺階可有效壓縮水舌下部空腔，減小了對斜坡坡 面的沖蝕；在消力池出口斜坡段布設(shè)臺階狀斜坡可有效降低出池水位，減小隧洞斷面高度， 從而降低了工程造價。
[0056] 本發(fā)明改善了無壓隧洞內(nèi)急彎段高速水流流態(tài)，同樣可改善無壓隧洞各種彎道高 速水流的水流流態(tài)或中、低速水流急彎段的水流流態(tài)，使無壓隧洞曲線布置更為靈活。從布 置型式上來看，這種工程措施結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，適用范圍廣，具有很好的實(shí)用性和應(yīng)用 前景。
【附圖說明】
[0057] 圖1是采用本發(fā)明方法布置的示意圖；
[0058] 圖2是圖1的A-A剖視圖；
[0059] 圖3是應(yīng)用例中工況一不采用本發(fā)明方法前流速流態(tài)圖；
[0060] 圖4是應(yīng)用例中工況二不采用本發(fā)明方法前流速流態(tài)圖；
[0061] 圖5是應(yīng)用例中工況一采用本發(fā)明方法前流速流態(tài)圖；
[0062] 圖6是應(yīng)用例中工況二采用本發(fā)明方法前流速流態(tài)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0063] 本專利解決了無壓隧洞急彎段高速水流的流態(tài)問題，適用性較廣，同時適用于以 下兩種情況，
[0064] 1)高速水流無壓隧洞各種彎道的布置，特別適用于彎道距離工作閘門較近的工 程；
[0065] 2)中、低速水流無壓隧洞各種彎道的布置，特別適用于急彎段布置。
[0066] 發(fā)明專利方法具體實(shí)施步驟如下：
[0067] 1)彎道消力池進(jìn)口斜坡段必須布置在隧洞直線段上，但要與工作閘門保持一定的 距離。為避免低水頭運(yùn)行下淹沒混合流水躍上溯至工作閘門，消力池進(jìn)口斜坡段要與弧門 支鉸（平板閘門門槽）距離2. Om以上；
[0068] 2)通過推導(dǎo)出的彎道消力池計(jì)算方法計(jì)算消力池的池深；
[0069]