楊堅(jiān)玲，韓曉維

（1·縉云縣水務(wù)投資有限公司，浙江 縉云 321400；2·浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；3·浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017）

1 問題的提出

縉云分洪隧洞是縉云縣縣城排水防洪綜合治理工程的重要組成部分，隧洞工程由進(jìn)口分洪控制閘、分洪隧洞和出口控制閘組成，主要功能為洪水分流，保障縉云城區(qū)防洪安全。隧洞為無壓分洪洞，20 a一遇洪水設(shè)計(jì)分洪流量為400 m3/s，進(jìn)口段主洞襯砌后尺寸為12.0 m×12.5 m（寬×高），為III等工程。隧洞進(jìn)口布置在順直河道左岸，為側(cè)向進(jìn)流，其分水角約為31°，且無較大的調(diào)整空間，因此，其進(jìn)流流態(tài)主要取決于兩側(cè)導(dǎo)墻的收縮角度。本工程原設(shè)計(jì)方案隧洞進(jìn)口過渡段右側(cè)導(dǎo)墻的收縮角度為28°，超過Chow推薦的12.5°[1]，需要通過模型試驗(yàn)進(jìn)行論證優(yōu)化。

當(dāng)隧洞進(jìn)口過渡段劇烈收縮和突縮時(shí)，水面沿程變化較大，可能出現(xiàn)不良流態(tài)，如漩渦和局部邊界層分離等，通常會(huì)引起較大的水頭損失，甚至產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，即（Choked water）現(xiàn)象，抑制過流能力[2]。隧洞進(jìn)口過渡段內(nèi)水頭損失由沿程水頭損失和局部水頭損失組成，其中局部水頭損失通常占主導(dǎo)部分[3]，是判斷進(jìn)口水流流態(tài)優(yōu)劣的一個(gè)重要變量指標(biāo)。Kazemipour指出，當(dāng)過渡段劇烈變化時(shí)，局部水頭損失甚至可占總水頭損失 90%以上[4]。進(jìn)口水流流態(tài)越平順，水頭損失越小，由于局部水頭損失系數(shù)不僅與布置有關(guān)，還與水流條件如水面收縮角、弗勞德數(shù)和雷諾數(shù)等有關(guān)[5]，且存在很大變化范圍，因此重大工程隧洞進(jìn)口過渡段局部水頭損失需要通過試驗(yàn)確定[6]。

基于上述情況，為科學(xué)論證縉云分洪隧洞進(jìn)口平面布置的合理性，采用1:50正態(tài)水工模型對(duì)隧洞進(jìn)口過渡段水力特性進(jìn)行分析。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 工程布置

縉云分洪隧洞進(jìn)口位于好溪干流上，河道寬度B約為135.0 m，隧洞進(jìn)口中心線與河道中心線夾角θ約為31°。側(cè)堰設(shè)3孔，單孔凈寬12.0 m，堰高P為1.0 m。側(cè)堰下游為過渡段，過渡段中心線長(zhǎng)Lm，明渠段左側(cè)擋墻收縮角為θl，右側(cè)擋墻收縮角θr，擋墻長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)l和Lr，明渠段下游為控制閘，采用雙扉閘，閘室尺寸為12.0×10.3 m（凈寬×凈高），閘底板高程較側(cè)堰頂高程降低4P。工程平面、剖面布置見圖1和圖2?？刂崎l下游為分洪隧洞，斷面尺寸為12.0 m×12.5 m（凈寬×凈高），寬度與控制閘一致。主要對(duì)原方案及推薦方案的過渡段水力特性開展試驗(yàn)研究，各方案過渡段特征參數(shù)見表1。

表1 各方案特征參數(shù)表

圖1 進(jìn)口過渡段平面布置圖

圖2 進(jìn)口過渡段剖面布置圖

2.2 模型比尺

根據(jù)研究目的，物理模型采用正態(tài)水工模型，按Fr數(shù)相似定律設(shè)計(jì)，分別滿足重力相似和阻力相似?？紤]模型流量、水深、流速以及阻力平方區(qū)等水力參數(shù)綜合因素，模型比尺為1:50，相關(guān)物理量比尺見表2。

表2 模型相似率表

2.3 模擬范圍及制作

物理模型采用自循環(huán)設(shè)計(jì)，模擬范圍包括地下水庫、進(jìn)水前池、閥門、流量計(jì)、河道、分洪閘等，模型平面布置見圖3。通過控制不同上游來流及主河道下游尾門水位來模擬相關(guān)工況，隧洞段模擬緩坡1.2 km，隧洞出口為自由出流。

圖3 模型平面布置示意圖

模型中控制閘及隧洞采用有機(jī)玻璃加工制作，設(shè)置伸縮節(jié)；河道地形采用斷面板定位、水泥砂漿抹制。

2.4 研究工況

試驗(yàn)在3組不同干流流量條件下進(jìn)行恒定流試驗(yàn)，試驗(yàn)工況設(shè)置見表3。表中Q0為干流流量，V0、Fr0分別為隧洞進(jìn)口上游河道斷面平均流速和弗勞德數(shù)，B為干流河道面寬。隧洞下游段為自由出流，因此進(jìn)口過渡段內(nèi)水位流量均為模型自主控制。

表3 試驗(yàn)工況表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 過渡段流態(tài)

對(duì)不同工況下過渡段水流流態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，此時(shí)河道干流總體流向仍保持順直，但進(jìn)口側(cè)堰附近流線存在一定轉(zhuǎn)彎，并在過渡段內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)口附近河道水流流態(tài)見圖4。原方案過渡段右側(cè)收縮角達(dá)28°，受進(jìn)流流向的影響，明渠段右岸邊墻水面存在一定的頂沖作用，水面壅高，并在控制閘室進(jìn)口附近形成明顯的繞流流態(tài)，在閘室內(nèi)形成水面跌落，分洪流量大時(shí)跌落幅度相對(duì)較大，左側(cè)邊墻水流相對(duì)較為平順，原方案過渡段水流流態(tài)見圖5 a。推薦方案對(duì)過渡段導(dǎo)墻收縮角進(jìn)行調(diào)整后，各工況進(jìn)流流態(tài)較為平順，控制閘進(jìn)口附近繞流流態(tài)改善較為明顯，過渡段水流流態(tài)見圖5 b。

圖4 隧洞分洪后河道進(jìn)隧洞進(jìn)口水流流態(tài)圖

圖5 過渡段水流流態(tài)圖（P=2%）

3.3 過渡段水面線

對(duì)P=2%、P=5%和P=10%三組工況下進(jìn)口過渡段及控制閘的水面線進(jìn)行觀測(cè)。由于側(cè)向進(jìn)流左右兩側(cè)擋墻水面線存在一定差異，分別對(duì)原方案和推薦方案左右兩側(cè)擋墻水面線hx進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果見圖6和圖7。2個(gè)方案中，過渡段左側(cè)擋墻水面線相對(duì)較為平順，在控制閘附近水面經(jīng)收縮后明顯降落，而右側(cè)擋墻受進(jìn)流方向影響，在控制閘附近存在明顯的折沖及繞流，在閘室內(nèi)形成水面跌落，跌落幅度在0.4~0.9 m，分洪流量大時(shí)跌落幅度相對(duì)較大。

圖6 右岸沿程水面線分布圖

圖7 左岸沿程水面線沿程分布圖

過渡段水面線可直觀表征其體型布置的合理性，由于原方案和推薦方案在角度發(fā)生變化后，兩側(cè)導(dǎo)墻長(zhǎng)度有一定的變化，為論證此類側(cè)向引水過渡段水面線特性，并對(duì)水面線進(jìn)行歸一化處理。橫坐標(biāo)取Lrx/（LrbLm-1），以閘后斷面-12.0 m位置水深為h0，縱坐標(biāo)取hx/h0，各工況無量綱水面線分布見圖8。

圖8 無量綱水面線分布圖

原方案中，右側(cè)導(dǎo)墻水面線最低點(diǎn)hx/h0為0.91~0.99，左側(cè)導(dǎo)墻水面線在控制閘進(jìn)口上游存在一定的頂托，在閘后呈單調(diào)下降。推薦方案右側(cè)導(dǎo)墻水面線最低點(diǎn)hx/h0為1.01~1.04，較原方案有明顯提高，左側(cè)水面線則與原方案基本一致。研究表明，原方案兩側(cè)收縮角分別為6°和28°時(shí)，進(jìn)口過渡段內(nèi)水流存在較為明顯的折沖，導(dǎo)致在控制閘進(jìn)口右側(cè)附近存在較為明顯的繞流，形成水面陡降，有較為明顯的阻水現(xiàn)象。推薦方案將兩側(cè)導(dǎo)墻分別修改為10°和12°，其收縮角滿足Chow提出的不超過 12.5°范圍[1]，其水面線有明顯改善，由于Chow的研究基礎(chǔ)以直線收縮為主，本工程為側(cè)向收縮進(jìn)流，因此在過渡段左右側(cè)水面線仍存在一定的差異。

3.4 局部水頭損失

局部水頭損失是由于幾何邊界條件改變而引起的水流能量損失，是用來判斷水流是否平順的重要指標(biāo)之一。隧洞進(jìn)口過渡段的幾何形狀和水流邊界條件與局部水頭損失密切相關(guān)。

定義過渡段局部損失系數(shù)為水頭損失與隧洞內(nèi)樁號(hào)0+038 m斷面流速水頭的比值，水頭損失ΔHij及水頭損失系數(shù)ζij的計(jì)算公式分別為：

式中：vi為上游河道斷面平均流速（m/s）；vj為隧洞樁號(hào)0+038 m斷面平均流速（m/s）；ζij為i，j斷面之間的局部水頭損失系數(shù)；zi、zj分別為i，j斷面平均底高程（m）；yi、yj分別為i，j斷面平均水深（m），i，j斷面位置見圖9，分別為斷面0-0和斷面1-1，水頭損失匯總見表4。

圖9 局部水頭損失計(jì)算斷面示意圖

表4 局部水頭損失計(jì)算表

水面收縮的局部水頭損失系數(shù)，目前一般遠(yuǎn)小于水面突擴(kuò)的水頭損失系數(shù)[8]。對(duì)明渠收縮的研究主要集中在正向進(jìn)流收縮時(shí)的水頭損失。Formica結(jié)合試驗(yàn)，提出斷面突然收縮時(shí)的局部水頭損失系數(shù)為0.23[8]；Henderson認(rèn)為矩形突縮斷面的局部水頭損失系數(shù)一般為0.23~0.35，而對(duì)于設(shè)倒角的收縮斷面，其局部水頭損失系數(shù)可取0.10~0.20[9]。Chow認(rèn)為過渡段為扭曲面形式時(shí)局部水頭損失系數(shù)可取0.10~0.20，直線形取 0.30~0.50，突變?nèi)?0.75；Yaziji測(cè)得急流時(shí)直線和流線型收縮過渡段局部水頭損失系數(shù)為 0.20~0.42[10]；張志恒指出對(duì)于扭曲面過渡段，隧洞進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)不是常數(shù)，而是與水面收縮角有關(guān)[11]。

從本研究結(jié)果來看，不同水流邊界條件時(shí)，過渡段局部水頭損失系數(shù)為0.24~0.60，略大于正向進(jìn)流時(shí)的損失系數(shù)。當(dāng)推薦方案將兩側(cè)導(dǎo)墻收縮角進(jìn)行優(yōu)化后，其局部水頭損失系數(shù)存在明顯減小。

4 結(jié)論及展望

縉云分洪隧洞工程為側(cè)向進(jìn)流，其進(jìn)口過渡段水力特性存在一定的特殊性，通過模型試驗(yàn)研究，對(duì)進(jìn)口過渡段兩側(cè)導(dǎo)墻收縮角度進(jìn)行調(diào)整，改善了進(jìn)口段水流流態(tài)及水面線分布，降低了局部水頭損失，保障了工程的分洪效益。

由于本研究基于特定工程開展試驗(yàn)研究，內(nèi)容存在一定局限性，下階段可結(jié)合分流角度、寬度及不同F(xiàn)r數(shù)條件對(duì)此類隧洞過渡段水面線及水頭損失之間的定量關(guān)系作進(jìn)一步研究。