引水隧洞進(jìn)口明滿流數(shù)值模擬

陳桂友 趙青 穆仁會(huì)

摘要：以雪山水庫(kù)引水壩調(diào)洪演算成果和工程投資估算為依據(jù)，擬定引水隧洞斷面尺寸和引水壩水位，校核水位2 449.99 m時(shí)，引水隧洞出現(xiàn)了明滿交替流流態(tài)。采用有限體積法，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件FLUENT對(duì)不同進(jìn)水口型式的引水隧洞進(jìn)口段進(jìn)行數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上，比較引水隧洞在明滿流流態(tài)下不同進(jìn)水口型式的洞內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)和水流速度沿水流方向變化情況，分析得出喇叭型進(jìn)水口可更好的改善過(guò)流條件，減小明滿流的不利影響。

關(guān)鍵詞：引水隧洞；明滿流；數(shù)值模擬；FLUENT；脈動(dòng)壓強(qiáng)

中圖分類號(hào)：TV314 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2016）04-0163-05

Abstract：Based on flood routing result and construction investment estimation of Xueshan Reservoir，the facture surface size of the diversion tunnel and the front water of diversion dam were proposed.The diversion tunnel presented a kind of flow which was the first mixed free-surface pressurized flow at maximum flood lever of 2 449.99 m.The diversion tunnel inducer of different water inlet styles was modeled by the CFD numerical software FLUENT.By analyzing the dynamic pressure and flow velocity in the case of this water flow along the diversion tunnel，the results indicated that the bell-mouth inlet could better improve the flow condition and reduce the negative impact of mixed free-surface pressurized flow.

Key words：diversion tunnel；mixed free-surface pressurized flow；numerical modeling；FLUENT；dynamic pressure

水利不僅是農(nóng)業(yè)的命脈，而且是整個(gè)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是治國(guó)安民的大事[1]。在水利行業(yè)的發(fā)展中，水工引水隧洞、水電站尾水洞出現(xiàn)了明滿流[2-7]流態(tài)。明滿流，是非恒定流[8]中的一種特殊流態(tài)，該流態(tài)是一種進(jìn)口常伴隨有吸氣漩渦現(xiàn)象，在隧洞內(nèi)夾雜有不穩(wěn)定氣囊使得隧洞內(nèi)出現(xiàn)有壓與無(wú)壓周期性變化的不穩(wěn)定狀態(tài)，在水工隧洞、水電站尾水洞中均有可能發(fā)生[9]。我國(guó)鹽鍋峽導(dǎo)流底孔因?yàn)槌霈F(xiàn)明滿流，將3.0 m厚的混凝土墩穿透；印度巴克拉壩右岸導(dǎo)流洞出現(xiàn)明滿流，沖毀閘門室和隔墻，造成廠房被沖毀，等等。明滿流會(huì)對(duì)隧洞產(chǎn)生空蝕、振動(dòng)和沖擊破壞，形成的脈動(dòng)壓力關(guān)系到隧洞的穩(wěn)定性分析，在水工設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，一般都是不允許這種流態(tài)出現(xiàn)的。如何保證隧洞的安全問(wèn)題已成為一個(gè)重要課題，研究隧洞的水力特性和穩(wěn)定性[10]具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。縱觀隧洞穩(wěn)定性分析的發(fā)展歷程，很多方法都沒(méi)有從本質(zhì)上解決問(wèn)題，論文以雪山水庫(kù)引水隧洞為例，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件FLUENT模擬分析引水隧洞在出現(xiàn)明滿流時(shí)洞內(nèi)水流脈動(dòng)壓強(qiáng)和流速沿水流方向變化情況，明確隧洞在明滿流時(shí)的水力特性。

1 工程概況

我省威寧縣處于高寒地區(qū)，水資源嚴(yán)重匱乏且空間分布不均。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各行業(yè)對(duì)水的需求量有所提高，原有雪山水庫(kù)蓄水不能滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉和人畜飲水的需求。為了滿足人畜飲水及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，采取了引水（拖洛河右岸一級(jí)支流部分水資源）入庫(kù)的方法，設(shè)計(jì)采用以需定供方式。引水隧洞設(shè)計(jì)綜合考慮地形地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)投資，初擬隧洞底寬進(jìn)行調(diào)洪演算。在最大引用流量時(shí)，水流出現(xiàn)了第一類明滿交替流[11-15]。本文運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件FLUENT[16-18]對(duì)一般進(jìn)水口和喇叭形進(jìn)水口兩種不同進(jìn)水口型式的引水隧洞進(jìn)行數(shù)值模擬，分析比較在明滿流流態(tài)下，不同進(jìn)水口型式引水隧洞內(nèi)水流脈動(dòng)壓強(qiáng)和流速的沿程變化情況，最后分析得出明滿流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1.1 斷面尺寸擬定

引水隧洞建于引水壩左岸，進(jìn)口底板高程與引水壩正常蓄水位同高2 445.00 m，設(shè)計(jì)采用以需定供的方法來(lái)設(shè)計(jì)引水隧洞尺寸，以引水壩正常蓄水位2 445.00 m為起調(diào)水位，初擬底寬3.6 m、2.6 m、2.4 m和2.0 m進(jìn)行調(diào)洪演算，調(diào)洪演算結(jié)果如表1至表4。

引水壩防洪標(biāo)準(zhǔn)與雪山水庫(kù)主壩一致，設(shè)計(jì)水位洪水標(biāo)準(zhǔn)取30年（P=3.33%），校核水位洪水標(biāo)準(zhǔn)取300年（P=0.33%）。根據(jù)以上調(diào)洪演算結(jié)果可見(jiàn)，底寬由3.6 m減小至2.0 m時(shí)引水壩上游校核水位分別為2 447.91 m增加到2 449.99 m，對(duì)引水工程的水位有一定影響，使得引水壩壩高也相應(yīng)增大，從這個(gè)意義上說(shuō)，隧洞底寬應(yīng)取大值。但是綜合考慮引水隧洞和引水壩總投資，經(jīng)過(guò)初步估算，底寬由3.6 m減小至2.0 m時(shí)，總投資由1.21億元降低至1.13億元。由此可見(jiàn)，底寬越小，工程投資越小，在底寬為2 m時(shí)，最大泄量滿足所需引用流量28 m³/s，因此選擇了施工最小斷面2 m底寬作為引水隧洞的底寬，此是相應(yīng)的上游校核水位為2 449.99 m，設(shè)計(jì)水位為2 447.78 m。經(jīng)過(guò)分析比較，最后選用城門洞型隧洞，底板寬2 m，邊墻高1.8 m，頂拱直徑為2 m，相應(yīng)的半中心角為90°，隧洞底坡坡降為0.006。

1.2 水流流態(tài)分析

根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》第二版第七篇水工隧洞的水力計(jì)算，隧洞水流的流態(tài)分為有三種：有壓流、無(wú)壓流和半有壓流，半有壓流又分為頭部水流封閉而洞身為無(wú)壓流和洞身前半部為有壓流后半部為無(wú)壓流的兩種半有壓流狀態(tài)[19]。

對(duì)隧洞底坡的判別，可設(shè)無(wú)壓均勻流水深h0趨于洞高a，求此時(shí)的流量，繼而求出臨界水深hk，當(dāng)h0>hk為緩坡，反之為陡坡。引水隧洞校核水位為2 449.99 m，設(shè)計(jì)水位為2 447.78 m，底板高程為2 445.00 m，隧洞縱坡i=0.006，糙率n=0.015。

從表5可以看出，引水隧洞在上游水位為校核水位時(shí)，洞內(nèi)水流為半有壓流，即明滿流狀態(tài)，當(dāng)上游水位為設(shè)計(jì)水位時(shí)，洞內(nèi)水流為無(wú)壓流狀態(tài)。

2 明滿流數(shù)值模擬

針對(duì)引水隧洞在校核水位時(shí)出現(xiàn)的明滿流流態(tài)，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬軟件FLUENT模擬分析引水隧洞在明滿流流態(tài)下的脈動(dòng)情況，建立兩種不同進(jìn)水口型式隧洞進(jìn)口段模型，通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)果分析得出運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.1 引水隧洞進(jìn)水口模型建立

如前分析所得，隧洞為洞身斷面尺寸為2×2.8 m的城門洞型，坡降為0.006的緩坡，在校核水位2 449.99 m時(shí)出現(xiàn)明滿流，為分析不同的進(jìn)口型式對(duì)明滿流流動(dòng)的影響，此次分析建立兩種不同型式的隧洞進(jìn)水口沿水流方向取0+000.00～0+175.00段進(jìn)行數(shù)值模擬：（1）進(jìn)水口不做倒圓等其他處理，保持與隧洞洞身段一致的斷面尺寸，沿水流方向均為等截面的模型。（2）進(jìn)水口采用頂面和兩側(cè)面收縮，兩邊側(cè)墻曲線為直徑是7 m的1/4圓，頂面收縮采用1/4橢圓，短軸同洞寬2 m，長(zhǎng)軸為6.78 m，后接城門洞型洞身段。

2.2 引水隧洞進(jìn)口段模擬成果分析

通過(guò)GAMBIT建模導(dǎo)入FLUENT，在設(shè)定進(jìn)邊界條件后，選用非定常模型（湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)模型），對(duì)上述兩種不同進(jìn)水口型式的引水隧洞進(jìn)口段進(jìn)行解算。

對(duì)一般進(jìn)水口型式，選取0+003.39、0+050.00、0+100.00、0+150.00、0+200.00、0+241.00幾個(gè)典型橫剖面和引水隧洞縱剖面；對(duì)喇叭形進(jìn)水口型式，選取0+003.39、0+050.00、0+100.00、0+150.00、0+175.00、0+241.00幾個(gè)典型橫剖面和引水隧洞縱剖面繪制脈動(dòng)壓強(qiáng)分布的等值線圖、云墻圖分別如圖1、圖2。

繪制一般進(jìn)水口和喇叭形進(jìn)水口型式兩種不同進(jìn)水口型式下，隧洞各個(gè)典型剖面最大流速沿水流方向曲線變化圖見(jiàn)圖3。

在上游校核水位時(shí)，隧洞內(nèi)水流流態(tài)為明滿流，一般進(jìn)水口型式和喇叭形進(jìn)水口型式脈動(dòng)壓強(qiáng)分布分別如圖1和圖2，結(jié)合各截面最大速度分布圖進(jìn)行綜合分析可知如下結(jié)果。

（1）當(dāng)進(jìn)水口為一般進(jìn)口型式時(shí)，最大脈動(dòng)壓強(qiáng)值出現(xiàn)0+075.00斷面壓強(qiáng)值為20.8 MPa；當(dāng)為喇叭形進(jìn)口型式時(shí)，沿水流方向最大脈動(dòng)壓強(qiáng)值出現(xiàn)在0+082.00斷面壓強(qiáng)值為19.4 MPa，但在喇叭形進(jìn)口接城門隧洞處兩側(cè)壁面，出現(xiàn)局部增大現(xiàn)象，最大動(dòng)壓為大小為23.6 MPa。比較最大脈動(dòng)壓強(qiáng)值大小可知，在明滿流工況下，采用喇叭形進(jìn)水口可減小脈動(dòng)壓強(qiáng)，但是在與洞身連接處出現(xiàn)局部增大現(xiàn)象。

（2）不同進(jìn)水口型式下，引水隧洞同一橫截面的速度都是從隧洞中心向底板、側(cè)墻逐漸減小，符合水流粘滯性規(guī)律。一般進(jìn)水口型式時(shí)最大流速6.45 m/s，喇叭形進(jìn)水口型式時(shí)最大流速為6.3 m/s，由《水力計(jì)算手冊(cè)第二版》[14]第二篇可知，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土防滲襯砌結(jié)構(gòu)，其允許不沖流速為8 m/s，上述模擬結(jié)果均在允許范圍之內(nèi)。

（3）隧洞為喇叭形進(jìn)水口型式時(shí)，沿水流方向最大速度在0+000.00～0+003.39段，最大流速急劇增大，在0+003.39～0+010.00段又急劇減小，在0+010.00～0+030.00段、0+030.00～0+075.00段增大，在0+075.00后略有降低，在0+125.00后趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)這樣的趨勢(shì)，其原因分析如下：在0+000.00～0+003.39段，由于喇叭形進(jìn)口采用兩側(cè)和頂面收縮，斷面面積收縮比較大，根據(jù)連續(xù)性方程可知，速度增大較快；在0+003.39～0+010.00段，雖然由于水位降落速度增加，但是在喇叭形進(jìn)水口和城門隧洞連接處水流脈動(dòng)較強(qiáng)，其作用大于由于水位降落對(duì)流速的改變，呈現(xiàn)出速度下降趨勢(shì)；在0+010.00～0+075.00段，湍動(dòng)強(qiáng)度減小，由于水流湍動(dòng)對(duì)速度變化影響小于水庫(kù)水位降的影響，速度開(kāi)始慢慢回升；0+075.00時(shí)，水流收縮至最小水深，后出現(xiàn)雍水曲線流速減小，至最后斷面水深趨于穩(wěn)定后，流速也趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)了圖示規(guī)律。

3 結(jié)論

（1）在校核水位時(shí)上游水深已超過(guò)隧洞頂，但又沒(méi)有足夠淹沒(méi)水深保證隧洞為有壓時(shí)形成明滿流，采用喇叭型進(jìn)水口可使洞內(nèi)水流更加平順，減小水流渦量、脈動(dòng)壓強(qiáng)，進(jìn)而減小了明滿流的不利影響。

（2）在明滿流時(shí)水流湍動(dòng)強(qiáng)烈，隧洞的底板和洞壁面出現(xiàn)局部負(fù)壓，隧洞出現(xiàn)這樣的水流流態(tài)且長(zhǎng)時(shí)間處于這種工作狀態(tài)，會(huì)對(duì)底板和襯砌造成不利影響，給水工建筑物的運(yùn)行帶來(lái)很大的安全隱患。在工程中應(yīng)更好的合理利用地形和地質(zhì)條件，盡量避免明滿流的出現(xiàn)。

（3）通過(guò)模擬得出明滿流時(shí)洞內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)的分布情況，在后期隧洞穩(wěn)定性分析中對(duì)內(nèi)水壓力的把握更加準(zhǔn)確，并可用于指導(dǎo)后期施工。

（4）雖然喇叭形進(jìn)水口可使得洞內(nèi)水流更加平順，減小了脈動(dòng)壓強(qiáng)，但是在與洞身連接處出現(xiàn)局部增大現(xiàn)象，施工中應(yīng)做好相應(yīng)部位加固處理。

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