壓力隧洞中巖井的設(shè)計(jì)和功能需求

在水電行業(yè)，對(duì)水工壓力隧洞中巖井的設(shè)計(jì)和功能需求一直存在誤解。如果巖井運(yùn)行效果不佳，則水流通過(guò)未襯砌隧洞時(shí)，挾帶的物質(zhì)會(huì)損壞水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，從而嚴(yán)重影響發(fā)電，增加運(yùn)行費(fèi)用。闡述了水工壓力隧洞中巖井的設(shè)計(jì)和功能需求，并深入討論了其對(duì)水電站安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要性，根據(jù)加拿大西部一系列小型水工隧洞CFD模型計(jì)算結(jié)果提出了巖井布置的若干建議。

水工隧道；壓力隧洞；隧洞設(shè)計(jì)；巖井布置；加拿大

懸(推)移質(zhì)輸移的經(jīng)驗(yàn)分析方法是20世紀(jì)60～70年代由物理模型研究發(fā)展起來(lái)的，由此建立的懸(推)移質(zhì)輸移與隧洞內(nèi)水平均流速的關(guān)系可以直接作為懸(推)移質(zhì)輸移風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。隨著高速計(jì)算機(jī)和程序軟件的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型為巖井設(shè)計(jì)提供了一種相對(duì)簡(jiǎn)捷的方法以評(píng)估湍流和懸(推)移質(zhì)運(yùn)輸移臨界值，作為一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，湍流動(dòng)能可以與推移質(zhì)和懸移質(zhì)輸移的起動(dòng)相關(guān)聯(lián)。基于這種分析方法，可以為巖井設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵參數(shù)，從而限制或者防止水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生損傷。本文通過(guò)CFD案例分析，全面深入闡述了巖井功能和保證水輪機(jī)有效運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

自從20世紀(jì)60年代CELSEP型巖井首次在加利福尼亞州上亞美利加(Upper American)河的杰伯德(Jaybird)隧洞應(yīng)用以來(lái)，從未對(duì)巖井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)修訂。這種巖井包括多個(gè)單元格上覆一系列剪力板和剪力條，作用是分離推移質(zhì)主流，使之落入網(wǎng)孔并收集在巖井中。一些設(shè)計(jì)師和工作人員認(rèn)為，開放式、斜坡式或者開放箱式結(jié)構(gòu)巖井可以有效地降低項(xiàng)目成本。設(shè)計(jì)合理CELSEP巖井的施工成本對(duì)工程總成本、設(shè)備損傷風(fēng)險(xiǎn)和斷電維修導(dǎo)致的收入損失來(lái)說(shuō)往往微不足道。

1 巖井的水力功能

巖井修建在引水洞下游，位于引水系統(tǒng)鋼襯與壓力管道之前，是一種集物池。沒(méi)有巖井，引水洞就存在重大缺陷，水電站的運(yùn)行成本就會(huì)增加。而在進(jìn)水塔設(shè)計(jì)中，作為標(biāo)準(zhǔn)組件的攔污柵只是為了保護(hù)發(fā)電設(shè)備免受來(lái)自進(jìn)水口上游漂浮物(如木頭)的損傷，不能取代巖井。

無(wú)襯砌壓力引水洞運(yùn)行時(shí)，裸露的巖石表面，噴混凝土以及混凝土襯砌段會(huì)受到水流波動(dòng)或振動(dòng)壓力脈沖的沖刷作用。這些壓力脈沖進(jìn)入到隧洞圍巖裂隙中不會(huì)緩慢平衡地消散，而是松動(dòng)巖塊。

2 水電站壓力隧洞水流條件

水電站壓力隧洞設(shè)計(jì)首先是根據(jù)水文條件和設(shè)計(jì)流量確定隧洞尺寸，滿足發(fā)電需要。無(wú)襯砌壓力隧洞內(nèi)的水流速度取決于設(shè)計(jì)流量(m3/s)，而設(shè)計(jì)流量與隧洞的斷面尺寸有關(guān)。根據(jù)以往一些工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)(EPRI)建議無(wú)襯砌隧洞中未鋪設(shè)仰拱的最大允許流速應(yīng)不大于1.5 m/s，而鋪設(shè)仰拱的不應(yīng)大于 2.75 m/s。布洛克斯研究了大量遭受沖刷和損傷的隧洞案例，此前許多工作人員對(duì)這些損傷疑惑不解，根據(jù)隧洞流速和地質(zhì)條件的關(guān)系，為了防止隧洞水流對(duì)圍巖的沖刷，他建議巖石條件好的隧洞最大允許流速應(yīng)低于 2.5 m/s，而巖石條件尚好的則應(yīng)低于 1 m/s。

隧洞尺寸可以根據(jù)設(shè)計(jì)流量和選擇的流速臨界值初步選定，隧洞的最終尺寸可以根據(jù)施工方法(鉆爆法或者TBM)和施工設(shè)備的選擇進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而優(yōu)化與施工風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的隧洞施工程序和項(xiàng)目成本。在最終的競(jìng)標(biāo)中，承包商往往希望采用已有的施工設(shè)備或者為了提高施工效率可能會(huì)擴(kuò)挖，因此通常會(huì)修改水電站隧洞的斷面尺寸。然而重要的是，最終的隧洞斷面尺寸要與巖井水力性能以及推移質(zhì)輸移趨勢(shì)相協(xié)調(diào)。

水電站壓力隧洞內(nèi)的水流條件受隧洞最終糙率的控制，而糙率又受制于施工方法，就鉆爆法施工而言，主要受施工質(zhì)量控制。隧洞開挖中猛烈的爆破通常會(huì)導(dǎo)致洞壁粗糙不平，使隧洞周壁水流的剪切速度升高，表現(xiàn)出湍流特性。湍流往往會(huì)對(duì)不穩(wěn)定或軟弱巖石造成沖刷。相對(duì)而言，開挖時(shí)控制爆破用藥量而且?guī)r石條件較好或者采用TBM開挖，隧洞內(nèi)的水流通常是層流。分析鉆爆法開挖小型隧洞中典型的對(duì)稱流條件得出，最大湍流動(dòng)能分布在隧洞底板和頂板，這兩個(gè)部位沖刷風(fēng)險(xiǎn)最大。因此湍流通常出現(xiàn)在隧洞周邊動(dòng)能最大的地方，沖刷最易發(fā)生在隧洞邊墻下部、底板和頂拱。無(wú)襯砌水工壓力隧洞中最終噴混凝土襯砌設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這一點(diǎn)。

如果隧洞內(nèi)水流流速高，洞壁不穩(wěn)定的軟弱巖石又無(wú)襯砌保護(hù)，則洞壁就會(huì)遭受高速水流沖刷，巖井中就會(huì)累積巖屑。在設(shè)計(jì)隧洞斷面尺寸時(shí)，許多隧洞的最大容許流速通常取3 m/s，而要保護(hù)隧洞免受水流沖刷和損傷則要采用更低的流速。一個(gè)能體現(xiàn)允許流速重要性的相關(guān)案例是近期開展的大型水工隧洞的國(guó)際研究項(xiàng)目(保密項(xiàng)目)，其中大量巖屑累積了數(shù)十年，而在此之前這一現(xiàn)象是不可理解的。這項(xiàng)研究結(jié)果表明，一段已竣工的隧洞，由于圍巖地質(zhì)條件較差導(dǎo)致竣工隧洞斷面面積減小，相應(yīng)地隧洞內(nèi)水流速度至少為 4.5 m/s，導(dǎo)致持續(xù)的沖刷和巖屑的產(chǎn)生。因此，在確定隧洞運(yùn)行水流條件和進(jìn)行巖井設(shè)計(jì)時(shí)考慮所有關(guān)鍵因素是非常重要的。

雖然水工壓力隧洞往往帶壓運(yùn)行，但應(yīng)意識(shí)到水壓常發(fā)生波動(dòng)，并可能在輸水系統(tǒng)中產(chǎn)生水擊浪涌，使隧洞圍巖受到瞬態(tài)壓力，導(dǎo)致在巖體裂隙中的孔隙水壓力難以消散。這種瞬態(tài)壓力效應(yīng)可以導(dǎo)致洞壁上的巖塊松動(dòng)，在這種壓力的長(zhǎng)期作用下隧洞功能會(huì)過(guò)早退化。對(duì)這種運(yùn)行條件所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該進(jìn)行深入評(píng)估并在巖井最終設(shè)計(jì)中加以考慮。針對(duì)這種運(yùn)行條件的緩解措施之一是增大排水孔，促進(jìn)圍巖、噴混凝土或者其他半結(jié)構(gòu)襯砌裂隙中孔隙水壓的消散。

3 隧洞內(nèi)物質(zhì)的輸移

水工壓力隧洞內(nèi)物質(zhì)的輸移方式受水流條件的影響，而水流條件又反過(guò)來(lái)受施工形成的隧洞輪廓尺寸以及施工質(zhì)量和開挖方法的影響。推移質(zhì)和懸移質(zhì)在隧洞中的輸移過(guò)程中，粉粒和粘粒一類的小顆粒物質(zhì)在湍流作用下作為懸移質(zhì)輸移于隧洞上部，而大顆粒的砂和巖屑則作為推移質(zhì)在隧洞底部滾動(dòng)和滑移。懸移質(zhì)通過(guò)水輪機(jī)不會(huì)對(duì)水輪葉片造成明顯損傷，而更重的砂和巖屑則會(huì)造成損傷，因此需要用巖井捕捉和控制。

通過(guò)物理模型試驗(yàn)可以得到層流條件下隧道平均流速和砂石顆粒大小之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。隧洞內(nèi)水的平均流速可以用設(shè)計(jì)流量除以典型或平均隧洞斷面面積來(lái)估算。基于這種關(guān)系，可以看出隧洞內(nèi)水的平均流速大于 2.5 m/s時(shí)就可以沖刷150 mm的顆粒，給隧洞的運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。而隧洞內(nèi)水的平均流速較低(約 1.4 m/s)時(shí)，可以沖刷40 mm的顆粒，會(huì)對(duì)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)輪帶來(lái)?yè)p傷風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到的是，采用鉆爆法開挖的隧洞常使洞內(nèi)水流產(chǎn)生非層流或者湍流條件，這樣就會(huì)沖刷更大的顆粒。

針對(duì)給定隧洞的尺寸和洞內(nèi)水的平均流速，可以評(píng)估物質(zhì)輸移的潛在風(fēng)險(xiǎn)。由于開挖的隧洞輪廓不規(guī)則引起的湍流，洞內(nèi)水的流速通常更高，尤其是在隧洞底部或底板，因此導(dǎo)致大顆粒物質(zhì)的沖刷。理解水流狀態(tài)和物質(zhì)輸移機(jī)制，就可以解釋像較大巖塊這類物質(zhì)在隧洞內(nèi)的輸移，而之前認(rèn)為這是違反普通水力學(xué)原理的。因此，評(píng)估與沖刷和物質(zhì)輸移風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)的最大允許流速非常重要。

這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表明隧洞內(nèi)大顆粒物質(zhì)也可被低速水流沖刷帶走。

4 巖井的水力學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)要求

巖井通常位于輸水系統(tǒng)鋼襯或壓力鋼管段上游端部、下游隧洞入口部位的上游。在無(wú)襯砌的長(zhǎng)隧洞中，由于隧洞內(nèi)水流速度較高或圍巖穩(wěn)定條件差，因此存在長(zhǎng)期沖刷風(fēng)險(xiǎn)，為了避免頻繁清理巖井而影響發(fā)電，最好在隧洞中設(shè)置多個(gè)巖井。

巖井水力學(xué)設(shè)計(jì)需要注意以下4點(diǎn)：

(1) 保持?jǐn)嗝娉叽缫恢拢粩U(kuò)大不縮小，將水流干擾控制在最低水平；

(2) 在巖井隧洞主流斷面與巖井滯水區(qū)之間設(shè)置人工剪切板，使巖井內(nèi)湍流最小化，同時(shí)允許巖屑落入巖井中；

(3) 設(shè)置擋板，減少巖井中巖屑的輸移；

(4) 正常運(yùn)行可能產(chǎn)生大量巖屑的隧洞和形狀復(fù)雜甚至包含彎道和斜坡的隧洞，應(yīng)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)或者CFD分析。

巖井設(shè)計(jì)中常見的錯(cuò)誤是用增大巖井上部隧洞主流斷面的方法來(lái)減小流速，事實(shí)上修改隧洞幾何形狀會(huì)導(dǎo)致巖井上湍流的形成，有礙巖井高效的水力性能的發(fā)揮。

4.2 巖石積累

巖井的容積或規(guī)模應(yīng)基于首次充水和特定的清理間隔時(shí)段內(nèi)預(yù)計(jì)沖刷松動(dòng)所產(chǎn)生的物質(zhì)體積來(lái)確定，根據(jù)20世紀(jì)60年代澳大利亞雪山項(xiàng)目鉆爆法開挖隧洞中巖井的調(diào)查結(jié)果，EPRI引用了其中的巖石積累系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即 1.25 m3/100 m2。

布洛克斯總結(jié)了許多未襯砌隧洞中巖井尺寸與開挖方法的關(guān)系，指出TBM開挖的隧洞中巖石積累系數(shù)變化范圍很大， 0.01～25 m3/100 m2，而對(duì)于鉆爆法開挖的隧洞為 0.15～1.0 m3/100 m2。因此，將清理頻次作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的，因?yàn)檫@對(duì)所需要的巖井總?cè)莘e影響很大。如果不打算每隔幾年清理一次，則需要較大的巖井。大多數(shù)巖石積累系數(shù)都是以單位面積每年產(chǎn)生的物質(zhì)體積來(lái)表示的。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到隧洞中大多數(shù)巖屑產(chǎn)生于初次充水中，而在隨后的輸水過(guò)程中，產(chǎn)生的巖屑體積明顯下降，最高可下降75%。EPRI引述的雪山項(xiàng)目巖井體積標(biāo)準(zhǔn)與挪威隧洞運(yùn)行3～5 a后的觀察結(jié)果相一致。因此，巖石積累系數(shù)應(yīng)通過(guò)5 a而不能只通過(guò)1 a的運(yùn)行結(jié)果來(lái)確定。雖然上述巖石累積系數(shù)是合理的，但還需要總體考慮隧洞沿線的巖石質(zhì)量以及鉆爆法的開挖質(zhì)量。如果大部分洞段的巖石條件由好到差，則巖石累積系數(shù)應(yīng)較高，對(duì)用鉆爆法施工的隧洞可取1.75 m3/100 m2。還有一點(diǎn)也很重要，即隧洞巖井的最終設(shè)計(jì)應(yīng)基于首次充水捕捉到的物質(zhì)來(lái)確定，而不是根據(jù)后續(xù)輸水取較小的巖石累積系數(shù)。

與巖井相關(guān)的開挖和支護(hù)成本相對(duì)較小，而與擋板和剪力板相關(guān)的成本則比較可觀，由于水流產(chǎn)生的荷載較大，擋板通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而剪力板和鋼筋中的鋼結(jié)構(gòu)含有工字梁。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，作為巖井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CELSEP型巖井就不曾有過(guò)大調(diào)整，這種設(shè)計(jì)是在加利福尼亞州上亞美洲加河上杰伯德隧洞項(xiàng)目中發(fā)展起來(lái)的，為了確定其水力學(xué)特性進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。世界上許多水工隧洞都建有CELSEP 巖井，實(shí)踐證明其運(yùn)行效果良好。

4.3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

特定項(xiàng)目巖井整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

(1) 允許越過(guò)巖井的最大顆粒直徑；

(2) 隧洞內(nèi)物質(zhì)累積因子(無(wú)襯砌隧洞每清理周期單位面積的累積體積，m3)；

(3) 巖井內(nèi)物質(zhì)清理頻次(不大于全使用壽命周期)；

(4) 斷電時(shí)最大允許清理時(shí)間；

(5) 檢查和清理通道(通道斷面尺寸對(duì)機(jī)械設(shè)備很重要)。

在巖井設(shè)計(jì)中需考慮的一個(gè)重要因素是，在隧洞建設(shè)實(shí)踐中通常全斷面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，剝落下來(lái)的不完整巖屑和松弛的巖塊將收入其中，在網(wǎng)內(nèi)形成大的凹陷，可以想見這些巖屑量是巖井有可能收集到的與隧洞沿程沖刷產(chǎn)生的極限量。

攔污柵的最大允許開口尺寸與允許通過(guò)水輪機(jī)且不對(duì)其造成損傷的粒徑有關(guān)，即限制大的自然物體進(jìn)入輸水系統(tǒng)。這一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不同于越過(guò)巖井的最大允許顆粒粒徑，后者與隧洞內(nèi)的水流條件和巖井設(shè)計(jì)方案相關(guān)。

另一個(gè)常常被行業(yè)誤解的設(shè)計(jì)要求則是巖井的清理頻次，運(yùn)行人員需要認(rèn)識(shí)到保持巖井壁清潔對(duì)防止設(shè)備損傷是極其重要的?；谝酝倪\(yùn)行情況，假設(shè)所有軟弱夾層和松動(dòng)巖塊均得到有效保護(hù)，則大部分巖屑產(chǎn)生于隧洞運(yùn)行的初始階段。

4.4 通道與運(yùn)行

要想在運(yùn)行期保證發(fā)電收益的最大化，則須盡量減少因隧洞維護(hù)而引起的停機(jī)。因此，人們往往設(shè)計(jì)過(guò)大容量的巖井來(lái)延長(zhǎng)清理的間隔時(shí)間。同時(shí)，考慮通道的便利性也有助于減少因清理巖井而造成的停機(jī)時(shí)間。許多位于巖井下游的混凝土堵頭都包含隔離門，允許如山貓挖掘機(jī)一類的小型設(shè)備通過(guò)，方便巖井清理。增加這樣的通道所帶來(lái)的建設(shè)成本并不低，但由停機(jī)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失則往往更大。

如前所述，在巖井的最終設(shè)計(jì)中，還應(yīng)該考慮隧洞的瞬態(tài)運(yùn)行壓力。劇烈的瞬態(tài)壓力會(huì)破壞未襯砌隧洞，導(dǎo)致巖塊松動(dòng)，產(chǎn)生大量巖屑。在水電站設(shè)計(jì)中一般會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的瞬態(tài)水力學(xué)分析，應(yīng)避免產(chǎn)生負(fù)壓而導(dǎo)致未襯砌隧洞的破壞和大量巖屑的產(chǎn)生。

5 CFD建模

5.1 概 述

湍流是沉積物輸移的主要物理機(jī)制，對(duì)巖井性能的影響非常大。因此，可以用湍流來(lái)評(píng)估隧洞和巖井中沉積物的輸移。

CFD建?？梢灶A(yù)測(cè)單位質(zhì)量流體的湍流動(dòng)能，用m2/s2表示。湍流動(dòng)能可以作為沉積物輸移的有效判據(jù)，因此在隧洞尺寸、開挖方法、水流設(shè)計(jì)、隧洞位置和形狀確定的情況下，也可以判斷巖井設(shè)計(jì)的總體性能和效果。

沉積物的輸移不能直接利用湍流概念來(lái)研究，而是要用到一些簡(jiǎn)化的概念，如均勻一維流推導(dǎo)的剪切速度和基底剪應(yīng)力，但這并不完全適用于巖井內(nèi)不均勻三維流的情況，因此不能得到湍流和沉積物輸移的直接關(guān)系式，而需要借助其他方法。

有學(xué)者提出了預(yù)測(cè)沉積物輸移起動(dòng)的判別指標(biāo)，即剪切速度u*(代表湍流動(dòng)能)以及沉積物下沉速度ωs(代表沉積物的顆粒大小和浮重)的比值，判別式如下

u/ω>0.10，推移質(zhì)開始輸移

(1)

u/ω>0.40，懸移質(zhì)開始輸移

(2)

假設(shè)以上表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為湍流動(dòng)能(T)，重力加速度(g)、沉積物粒徑(D)之間的比，則判別式如下

T/gD>0.05，推移質(zhì)開始輸移

(3)

T/gD>0.78，懸移質(zhì)開始輸移

(4)

通過(guò)對(duì)比一維分析計(jì)算出的沿隧洞底板湍流動(dòng)能分布和CFD模型預(yù)測(cè)結(jié)果，可以評(píng)估巖井設(shè)計(jì)的性能和效果。特別重要的是，在分析中不僅要考慮巖井中湍流動(dòng)能的平均值，而且還要考慮其最大值及其分布和范圍，而這才是沉積物輸移的風(fēng)險(xiǎn)。

為了證明CFD建模的價(jià)值，了解巖井的水力學(xué)性能，下面討論了加拿大西部大錫爾弗(Big Silver)、上利盧埃特(Upper Lillooet) 以及博爾德克里克(Boulder Creek)小型水電站的巖井設(shè)計(jì)案例，并對(duì)每個(gè)模型湍流動(dòng)能進(jìn)行了比較。

5.2 大錫爾弗項(xiàng)目

該項(xiàng)目隧洞平直(沒(méi)有彎道)，縱坡降小。采用CFD建模對(duì)巖井上游小梯度直線洞段進(jìn)行了評(píng)估，隧洞縱坡降 1.1%。巖井位于水平洞段，隧洞斷面為馬蹄形，寬6 m，高 5.5 m，采用鉆爆法開挖。巖井寬6 m，深3 m。隧洞內(nèi)水的平均流速為 1.44 m/s。

CFD模型計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案中缺少抗剪板和格柵時(shí)，巖井中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)能極大的湍流，推動(dòng)大直徑顆粒的輸移，從而損壞發(fā)電設(shè)備，危害運(yùn)行安全。

5.3 博爾德克里克項(xiàng)目

5.3.1 隧洞布置方案A

該方案隧洞為直洞，上游縱坡降較大。根據(jù)隧洞布置方案，對(duì)巖井及其上游洞段進(jìn)行CFD建模，隧洞為馬蹄形斷面，寬 3.6 m，高 4.5 m，隧洞縱坡降12.5%，采用鉆爆法施工。巖井位于水平洞段，寬3.6 m，深 2.5 m。模型計(jì)算分為有、無(wú)抗剪板條件，隧洞內(nèi)水流的平均流速為 0.9 m/s。

CFD建模計(jì)算結(jié)果顯示，無(wú)論有無(wú)抗剪板，巖井的湍流動(dòng)能均較高，超過(guò) 0.008 m2/s2。對(duì)于小型隧洞而言，該值相當(dāng)高，同時(shí)也表明不能將巖井布置在斜坡洞段端部，因?yàn)檫@里湍流動(dòng)能高，物質(zhì)輸移越過(guò)巖井的風(fēng)險(xiǎn)大。

5.3.2 隧洞布置方案B

該方案上游隧洞為彎洞，隧洞縱坡降大。使用CFD模型對(duì)巖井進(jìn)行評(píng)估，彎洞位于設(shè)計(jì)巖井上游50 m處，隧洞縱坡降與該工程設(shè)計(jì)方案一致，為12.5%。巖井布置在水平隧洞段，隧洞寬3.6 m，高4.5 m，為馬蹄形斷面，鉆爆法開挖。巖井寬3.6 m，深 2.5 m。CFD模型分別進(jìn)行了設(shè)置或未設(shè)置抗剪板分析，隧洞中水流平均流速為 0.9 m/s。

CFD模型計(jì)算結(jié)果表明，大部分巖井動(dòng)能水平均較高(不管是否設(shè)置抗剪板)，動(dòng)能超過(guò)0.008 m2/s2。對(duì)于小型隧洞而言，該值非常高，同時(shí)表明不能在彎道和斜坡洞段下游設(shè)置巖井。水流以次級(jí)環(huán)流和非對(duì)稱流的形式流過(guò)彎道，提高了巖井上方湍流動(dòng)能和物質(zhì)輸移風(fēng)險(xiǎn)。

5.3.3 隧洞布置方案C

該方案隧洞上游不存在彎道和陡坡，CFD建模分析中巖井上游洞段縱坡降1.1%。巖井位于水平洞段，隧洞寬 3.6 m，高 4.5 m，為馬蹄形，鉆爆法開挖。巖井寬 3.6 m，深 2.5 m。巖井CFD模型計(jì)算僅考慮設(shè)置抗剪板的情況，隧洞內(nèi)水流平均流速為 0.9 m/s。

CFD模型計(jì)算結(jié)果表明，抗剪板內(nèi)部和周邊湍流動(dòng)能水平明顯較低，約為 0.002 m2/s2，說(shuō)明巖井布置合理，不存在物質(zhì)輸移越過(guò)巖井的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)果對(duì)比

大錫爾弗項(xiàng)目隧洞較大，寬6 m，湍流動(dòng)能 0.008 m2/s2。博爾德克里克項(xiàng)目隧洞較小，寬僅 3.6 m，預(yù)測(cè)的最大湍流動(dòng)能為 0.002 m2/s2，僅是大錫爾弗項(xiàng)目的30%，而隧洞中水的流速約為大錫爾弗項(xiàng)目的60%。這些結(jié)果表明湍流動(dòng)能對(duì)流速具有高度敏感性，流速增大60%，湍流動(dòng)能可能增大300%，對(duì)工程運(yùn)行中物質(zhì)輸移和沖刷可能帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。

上利盧埃特項(xiàng)目隧洞寬6 m，縱坡降較小，對(duì)類似的巖井設(shè)計(jì)方案所做的分析尚未完成，但根據(jù)上述案例的分析結(jié)果，在不設(shè)置抗剪板和格柵的情況下，流速增加30%產(chǎn)生的湍流動(dòng)能最大值將達(dá)到 0.001 5 m2/s2，比大錫爾弗項(xiàng)目高100%。由此可見，上利盧埃特項(xiàng)目同樣需要設(shè)計(jì)相似的CELSEP 巖井。

7 結(jié) 論

巖井是水工壓力隧洞中基本的水工建筑物，需要精心設(shè)計(jì)，并考慮所有相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，從而保障有效運(yùn)行，保護(hù)廠房設(shè)備不受損壞，其中尤其重要的是要充分了解與受隧洞尺寸和開挖方法影響的水工壓力隧洞有關(guān)的水流條件。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建模作為巖井位置、尺寸、形狀和水力狀態(tài)的設(shè)計(jì)軟件，可以評(píng)估巖井的性能和效果，計(jì)算湍流動(dòng)能。湍流動(dòng)能是評(píng)估沉積物輸移的有效判據(jù)，因此也是在一般隧洞水力學(xué)特性給定條件下巖井總體性能的判據(jù)。當(dāng)CFD模型計(jì)算出高湍流動(dòng)能時(shí)，在巖井設(shè)計(jì)中需要加入抗剪板、格柵以及擋板，從而有效控制沉積物輸移越過(guò)巖井。

一系列CFD分析表明，含有擋板和抗剪板的巖井水力學(xué)性能較好，可以有效控制巖屑。無(wú)內(nèi)部組件或僅含擋板的“開放式”箱型巖井，無(wú)法有效控制巖屑，并對(duì)電站運(yùn)行構(gòu)成威脅。

羅憶馬貴生譯

(編輯：朱曉紅)

TV732.3

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2017-02-09

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