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深式长压力进水口淹没深度的计算方法与试验

2024-09-12 56 上传者：管理员

摘要：深式长压力进水口与短压力进水口不同，进水口后接一定长度的有压洞，本文定义的进水口段指喇叭形进口断面至有压洞矩形出口断面，即由进口段和有压洞两部分组成。通过理论分析和试验研究，在归纳总结已有研究成果的基础上，得出深式长压力进水口淹没深度的一般要求，并给出深式长压力进水口淹没深度确定的条件。

关键词：
水利水电工程开发
深式长压力
淹没深度
进水口
隧洞
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目前，水利水电工程开发逐渐转移向山区峡谷河段，许多在建和拟建工程相继采用一种“深式长压力进水口”的布置型式，以适应山区峡谷河段的地形地质条件。一般认为，隧洞有较长的满流段，因满流段全断面过流，流速相对较低，隧洞压力高，不易遭空蚀破坏，同时隧洞在满流段易于平面转弯，使得隧洞轴线布置更加灵活，水力条件较好。但 “深式长压力进水口”的水力特性与短压力进水口不同，尤其对深式长压力进水口淹没深度的计算开展系统研究的还不多，实际工程运行中也发现存在部分危险现象。本文希望通过对“深式长压力进水口”的淹没深度的计算与试验进行分析，探索深式长压力进水口的水力特性。

1、进口淹没深度的一般要求

本文研究的有压洞长度远大于3～4倍洞径或洞高，且隧洞过流面积较大，因此，将这类进口称为深式长压力进水口。本文定义的进水口段指喇叭形进口断面至有压洞矩形出口断面，即由进口段和有压隧洞两部分组成[1]。

在SL 279—2016和NB/T 10391—2020《水工隧洞设计规范》中均有规定：有压隧洞不应出现明满流交替运行的流态，在最不利运行条件下，洞顶以上应有不小于2.0 m的压力水头。这是由于隧洞内水流明满流交替或明满流过渡，一般将会出现有压洞段的漩涡、水击、气锤等不利水力现象。图1～2为某工程长压力进水口充水时的情况，由图可以清晰地看到水击和气锤现象。充水时，进口水深仅为20 m, 但在工作闸门处测得的冲击压力达0.4 MPa, 可见水击和气锤的联合作用产生了相当于约20 m水柱的压力。

图1长压力进水口在充水时的水击现象

图2长压力进水口在充水时的气锤现象

图1～2中所反映的仅为长压力进水口在充水时发生的不利水力现象，此时流速很低，水击和气锤已产生较大的冲击压力，而泄水隧洞在正常运行时，若洞内水流出现明满流交替，容易造成振动、空蚀、磨损和瞬变的动水压力等作用，会对隧洞的过流能力、洞壁的受力状态、隧洞的安全、隧洞周围建筑物等产生不利影响，危害工程安全。从国内外已建工程的运行情况来看，存在不少由于发生明满流交替而造成的事故。如印度巴克拉坝右岸导流隧洞在施工期间发生明满流交替，冲毁闸门控制室及底部隔墙等处，造成厂房被冲，10人死亡。国内的盐锅峡导流底孔，在工作水头31.08 m时，发生明满流转换，水流将3 m厚的混凝土墩击穿，对工程造成严重影响。

综上所述，对于深式长压力进水口必须要求有一定的淹没深度，才能保证有压隧洞不会出现明满流交替运行的流态。其最小淹没深度的一般要求为：

(1)在这一淹没深度的情况下，进水口水流平顺、不产生漏斗状漩涡，以免吸入空气，引起振动，要求流态稳定。

(2)在这一淹没深度的情况下，在最不利工况时，有压隧洞出口洞顶以上应有不小于2.0 m的压力水头。

2、进口淹没深度计算方法分析

国内外现有计算进水口淹没深度的计算公式较多，本文对常用进水口临界淹没深度(进水口临界淹没深度是指库水位至孔口顶部的最小深度)的计算公式总结分析如下。

(1)苏联规范公式[2]:

H=δ+1.5(1+ξBx)v2/2g。 (1)

式中：H为临界淹没深度，m;δ为水深余幅，一般取0.5～1.0 m;ξBx为进口段水头损失系数；v为孔口断面流速，m/s。

(2)布朗公式[3]:

H≥0.5D。 (2)

式中：H为淹没深度，m;D为孔口高度，m。

(3)基谢列夫公式[4]:

式中：H为临界淹没深度，m;D为孔口高度，m;v为孔口断面流速，m/s。

(4)J.L.Gordon公式[5]:

H=C·vn·Dm。 (4)

式中：H为临界淹没深度，m;v为孔口断面流速，m/s;D为孔口高度，m;C为常数；m,n分别为经验指数。

为简化起见，作者假定以闸门流速和闸门孔口高度为尺度函数，建立了简化公式：

H=C·v·D0.5。 (5)

(5)Y.R.Reddy和J.A.Pickford公式[6],主要引进了佛汝德数(Fr)、临界淹没度(H/D)和波浪参数(λ/h),其关系式为：

H/D=ƒ(Fr·λ/h)。 (6)

式中：H为临界淹没深度，m;Fr为进口佛汝德数；D为孔口高度或直径，m;h为总水深，m;λ为漩涡波长。

(6)张从联等[7]通过试验研究提出，有压流发生时满足：

H/D>1.5。 (7)

式中：H为淹没深度，m;D为孔口高度或直径，m。

(7) 李炜[8]提出在陡坡隧洞内明满交替流动发生的范围为：

1.2<H/D<1.5。 (8)

式中：H为淹没深度，m;D为孔口高度或直径，m。

以上公式各有侧重，具体特点如下：

苏联规范公式考虑了水头损失，对管道的压力余幅有一定保证，但没有避免进口漩涡问题的条件，仅靠安全系数调节，随意性大。

布朗公式与孔口建立关系，便于初步控制计算，但未考虑水头损失和涡旋问题，适应于估算。

基谢列夫公式与流速和洞径建立了关系，但未考虑进流条件，更适应于短压力进口情况。

J.L.Gordon公式考虑了进流条件、洞径和流速，是根据加拿大29座水库的资料研究得出的经验公式，目前国内规范采用较多，但仍有一定的局限性。特别是当进口来流边界或进水口体形比较复杂时，按此公式估算淹没深度，安全度可能不够。

Y.R.Reddy和J.A.Pickford公式引进了佛汝德数的概念，给出了漩涡形成的关系，更接近实际情况，但应用较难，系数取值随意性大。

张从联等提出结果与布朗公式形式一致，但通过试验选择的值不同，其要求远大于布朗公式，适应于流速较大的情况。

李炜间接提出了淹没深度要求，通过试验得出了一定的范围，与张从联等得出的结果基本一致。

很多学者都对这些公式进行过比较[9],对于同一个进水口，在相同的水流条件下，计算出的临界淹没深度从大到小的排序为：J.L.Gordon公式>布朗公式>基谢列夫公式>苏联规范公式>Y.R.Reddy和J.A.Pickford公式。其中，J.L.Gordon公式计算的淹没深度远远大于其他公式，是规范推荐J.L.Gordon公式的原因。

这些公式都是在流速较小的情况下，结合试验推出的，因此都有其局限性。到目前为止，规范要求在按照J.L.Gordon公式计算后，针对重要工程仍需开展模型试验验证。

由于深式长压力进水口的条件非常复杂，运行方式也各不相同，而不同工程通常采用不同的设计型式，所以确定各种条件下的临界淹没水深非常困难。现有的研究一般基于某一工程的原型观测或模型试验数据进行总结，得出在一定范围内适用的经验公式，目前尚未有学者提出基于理论推导的具有通用性的计算公式。

3、进口淹没深度的试验验证

很多实际工程在满足J.L.Gordon公式计算的淹没深度后，进水口仍存在漩涡现象，值得进一步研究探索。本文通过对两个工程深式长压力进水口泄洪洞水力模型试验成果的分析，探索一些规律性。

3.1 试验成果一

某工程进水口高程为545.00 m, 在库水位低于566.30 m时，泄洪隧洞进口水流为明流状态，水流平顺；当库水位升至567.00 m, 水流部分触及进口顶部，随着水位进一步升高，进口处水流逐渐转变成为有压流态。在上游水位低于581.50 m的情况下，进水口前库区水面平稳，偶然有零散的小漩涡出现；在上游水位继续升高的过程中进口前漩涡强度逐渐增大，且逐步形成稳定的漩涡(见图3);当上游水位升高到585.00 m左右时，相应的旋涡强度最大，呈漏斗状漩涡，通过肉眼能够观察到沿涡心形成的白色涡带，并伴随有向泄洪洞内吸气的现象(见图4);当库水位高于588.00 m之后，进口前的漩涡逐渐减弱，当水位升高到596.00 m时，漩涡基本消失，进口前库区水面平静。

图3进水口出现稳定的漩涡

图4 进水口出现漏斗状漩涡

当库水位在567.00～572.00 m时，尽管泄洪洞进口为有压流，但是，检修门槽后直径15.0 m的圆形隧洞内仍然呈明流流态。明流状态下水流通畅，水面波动不大，水流在离心力的作用下从平面转弯段起点开始右侧(外侧)水面高于左侧(内侧)水面，水流自由表面形成横向坡降。汛限水位为570.00 m时，实测平面转弯段末端左侧水深约11.80 m, 右侧水深约13.40 m, 两侧水深相差约1.60 m; 在弧形工作闸门控制断面左右侧的水深分别为10.68 m和11.10 m, 水面高差0.42 m。库水位接近572.40 m时，压力隧洞内水流处于明满流交替状态；库水位在572.60～573.25 m之间，检修门槽后的渐变段内为明流，且出现波状水跃，水跃后为压力流；库水位高于573.25 m时，洞内波状水跃消失，仍然存在从检修门槽和补气管向隧洞内进气现象，沿压力隧洞顶部可以观察到不连续的气泡串，气泡从压力隧洞出口顶部逸出。模型试验中水流平稳，没有出现气团聚集及来回振荡等不利流态。

3.2 试验成果二

某工程按J.L.Gordon公式估算，进水口前最小淹没深度为46.46 m, 进水口前最低库水位为汛限水位1 472.00 m, 淹没深度为47.00 m, 不应出现立轴旋涡。但在试验中观察到，在各设计频率库水位条件下，进水口前水面均有阵发性旋涡形成。

在试验中观察到，在各设计频率库水位条件下，进水口段均为满流，检修闸门井内水面波动不大，洞内流态稳定。

3.3 成果分析

从这两个试验成果看，计算与试验仍存在一定差异。

(1)满足计算淹没深度仍产生漏斗漩涡可能受以下因素影响：

进水口地形边界条件差；来流方向与进水口轴线夹角不合理；进水口淹没深度不够；进水口流速和尺寸不合理等。前两个因素尤为重要。

(2)结果的差异性受比尺影响，模型中观察到的进口流态与原型之间存在一定差异。

理论上，对深式长压力进水口，就水力条件来说，淹没深度越大越好，保证泄流能力和流态的稳定性。但由于工程特征水位确定后，进口淹没深度越大，要求进口高程越低，必然带来开挖工程量增大和复杂的工程边坡问题，因此，在设计中应充分重视给予进水口地形边界条件、来流方向和进水口轴线夹角。

3.4 改善措施

进口漩涡和有压洞的明满流交替现象在许多深式长压力进水口的布置形式中都有出现，从已有的试验成果看，其漩涡和明满流交替现象的产生与上游的淹没水深有很大关系，但并不是唯一的影响因素，其往往与进口入流(地形)条件、枢纽泄水建筑物运行方式、闸门运行方式等密切相关。在进水口布置确定后，可以通过调控淹没水深来优化水流流态，根据工程经验和试验研究，一般采用消涡墩、消涡栅、减小闸门开度、改变入口体型、减小流速等综合方法。其中，增加淹没深度和增大孔口面积从而减小洞内流速是改善进口漩涡的一个简单易行的工程措施，闸门局部开启运行可有效解决隧洞启用时有压段明满流交替等不良水流流态。

因此，设计中应提出进水口闸门的运行方式和管道充水要求，并制定严格的操作程序，防止不良水流流态的发生，保证工程的正常运行。

4、结束语

(1)本文针对深式长压力进水口的特点，归纳进水口对淹没深度的一般要求。

(2)针对较常采用的淹没深度计算公式进行总结，并分析各公式的特点与适用条件。

(3)基于对模型试验成果的分析，探讨了计算值与模型试验值及实际工程之间存在差异的原因。

(4)增加淹没深度和增大孔口面积，从而减小洞内流速是改善进口漩涡的一个简单易行的工程措施。

(5)闸门局部开启运行可有效解决隧洞启用时有压段明满流交替等不良水流流态。

(6)通过对模型试验成果的分析表明，设计和运行中需重视入流条件并制定严格的运行程序，防止不良水流流态的发生，保证工程的安全运行。

参考文献:

[1]田华.深式长压力进水口水力特性研究[D].南京:河海大学,2008.

[2]水利电力部北京勘测设计院译.苏联水电站深式引水进水闸[M].哈尔滨:东北农业出版社,1955.

[3]布朗.水力发电工程实践[M].北京:中国水利水电出版社,1964.