陡坡隧洞明滿交替流成因及改善措施

李學(xué)海，李 蘅，石教豪

（1．長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010；2．長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司施工處，武漢 430010）

陡坡隧洞明滿交替流成因及改善措施

李學(xué)海1，李 蘅2，石教豪1

（1．長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010；2．長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司施工處，武漢 430010）

山區(qū)河道陡坡隧洞易于形成的明滿交替流，會(huì)對(duì)隧洞產(chǎn)生空化空蝕、振動(dòng)、沖擊破壞。基于陡坡隧洞的模型試驗(yàn)研究成果，對(duì)陡坡隧洞明滿交替流的影響因素及其改善措施進(jìn)行了研究。分析了明滿交替流形成的主要影響因素，包括洞前相對(duì)淹沒深度H／a、隧洞體型（包括隧洞底坡、進(jìn)口頂部體型、洞高、洞長、是否有轉(zhuǎn)彎段、閘門井等）、進(jìn)口引渠布置以及由上述因素形成的吸氣漩渦、閘門井吸氣影響等。綜合考慮工程地形、地質(zhì)、工程運(yùn)用要求以及安全經(jīng)濟(jì)等因素，可采取消渦措施、消除閘門井吸氣措施、隧洞進(jìn)口頂部體型優(yōu)化與選擇以及洞高和洞長優(yōu)化等措施，改善陡坡隧洞的明滿交替流現(xiàn)象。

陡坡隧洞；影響因素；形成機(jī)理；改善措施

1 研究背景

山區(qū)河道水能資源豐富，近幾年來，為充分開發(fā)水能資源，國內(nèi)外越來越多的水利水電工程的壩址選擇在兩岸陡峻、河谷狹窄、河道縱坡較陡的山區(qū)河道。在地形和地質(zhì)條件有利于隧洞的布置和施工時(shí)，其導(dǎo)流建筑物大多會(huì)選用隧洞導(dǎo)流。部分工程因河道縱坡較大采用了陡坡隧洞（i＞ik，i為洞身底坡，ik為臨界坡）。國內(nèi)外部分山區(qū)河道工程導(dǎo)流隧洞的參數(shù)見表1。

表1 國內(nèi)外部分山區(qū)河道工程導(dǎo)流隧洞參數(shù)Table 1 Parameters of some diversion tunnels for mountain rivers in China and abroad

表1中的馬來西亞某工程，其設(shè)計(jì)流量為Q＝3 044 m3／s、校核流量為Q＝3 670 m3／s，研究表明［1－3］：在原方案條件下，1＃洞（底坡3．19%）在Q＝2 300～3 670 m3／s區(qū)間、2＃洞（底坡2．87%）在Q＝2 800～3 400 m3／s區(qū)間，均產(chǎn)生了明滿交替流，流量區(qū)間跨度分別為1 370 m3／s和600 m3／s，進(jìn)口均伴有吸氣漏斗漩渦，閘門井存在吸氣現(xiàn)象。表中的緬甸某工程支流導(dǎo)流工程，其設(shè)計(jì)流量為Q＝286 m3／s，隧洞底坡為7．5%，研究表明［4］：進(jìn)口頂部采用橢圓形式時(shí)，洞內(nèi)明滿交替流的流量區(qū)間很大，且極不穩(wěn)定，庫水位漲水過程與落水過程的洞內(nèi)流態(tài)也存在較大差異，相同流量下庫水位差異很大；進(jìn)口頂部采用銳緣形式時(shí)，形成水流封閉進(jìn)口，而洞內(nèi)為無壓流的半有壓流狀態(tài)，其泄流能力有所下降。

由此可見，陡坡隧洞易于形成明滿流交替流態(tài)，且流量區(qū)間跨度較大。明滿交替流是一種進(jìn)口伴隨吸氣漩渦，洞內(nèi)夾雜有不穩(wěn)定氣囊，洞內(nèi)出現(xiàn)時(shí)而無壓、時(shí)而有壓的周期性變化的不穩(wěn)定水流狀態(tài)，會(huì)引起洞內(nèi)壓力、流速、流量等發(fā)生周期性變化，在洞頂負(fù)壓絕對(duì)值、洞內(nèi)流速均較大時(shí)，會(huì)對(duì)隧洞產(chǎn)生空化空蝕、振動(dòng)、沖擊破壞，在水工設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，一般不允許采用這種流態(tài)。陡坡隧洞的相關(guān)水力學(xué)問題是隨著山區(qū)河道工程的開發(fā)逐步顯現(xiàn)出來的。而目前國內(nèi)外關(guān)于明滿交替流的研究成果［5－22］，其研究對(duì)象多集中于水電站尾水系統(tǒng)及城市下水道管網(wǎng)，輸水管道坡度相對(duì)較緩，而對(duì)具有高速水流且易于發(fā)生明滿交替流的陡坡隧洞中出現(xiàn)的明滿流交替問題的研究則極少。為此，本文基于陡坡導(dǎo)流隧洞的模型試驗(yàn)成果，結(jié)合相關(guān)理論，對(duì)陡坡隧洞明滿交替流的影響因素及改善措施進(jìn)行了分析探討。

2 導(dǎo)流隧洞洞內(nèi)流態(tài)影響因素分析

當(dāng)下游水位較高且淹沒出口洞頂以致減低了泄流能力、出口流態(tài)為淹沒出流時(shí)，洞內(nèi)流態(tài)為有壓流。當(dāng)下游水位較低且為自由出流時(shí)，其洞內(nèi)流態(tài)變化復(fù)雜，決定于上述其他影響因素。下面重點(diǎn)分析自由出流情況。

2．1 上游水位對(duì)隧洞流態(tài)的影響

2．1．1 緩坡隧洞

對(duì)于緩坡隧洞（i＜ik），當(dāng)H／a＜k1（H為以隧洞進(jìn)口斷面底板高程起算的上游水深，a為洞高，k1為常數(shù)），洞內(nèi)水流為無壓流。當(dāng)k1＜H／a＜k2m（k2m為常數(shù)）時(shí)，洞長較短、進(jìn)口上部為銳緣的隧洞會(huì)出現(xiàn)水流封閉進(jìn)口而洞內(nèi)為無壓流的半有壓流狀態(tài)；隧洞較長時(shí)，無論進(jìn)口頂部為銳緣或曲線均會(huì)出現(xiàn)洞內(nèi)前一段為有壓，后一段為無壓的半有壓流狀態(tài)；當(dāng)H／a＞k2m時(shí)，全洞為有壓流。

2．1．2 陡坡隧洞

陡坡隧洞（i＞ik）洞內(nèi)流態(tài)示意圖見圖1［23］。當(dāng)H／a＜k1時(shí)，洞內(nèi)水流為無壓流，見圖1（a）；當(dāng)k1＜H／a＜k2s（k2s為常數(shù)）時(shí)，進(jìn)口頂部為銳緣的隧洞，在正常水深h0＞a且洞長較短或h0＜a時(shí)，會(huì)出現(xiàn)進(jìn)口水流封閉而洞內(nèi)為無壓流的半有壓狀態(tài)，見圖1（b）；當(dāng)k1＜H／a＜k2s，h0＞a、且隧洞較長時(shí)，無論進(jìn)口頂部為銳緣或曲線形，洞內(nèi)將出現(xiàn)時(shí)而為無壓，時(shí)而為有壓，并伴隨著不穩(wěn)定的氣囊的周期性水流現(xiàn)象，即明滿交替流形態(tài)，見圖1（c）；當(dāng)上游水位增加至H／a＞k2s時(shí)，全洞為有壓流，見圖1（d）。

圖1 自由出流時(shí)洞內(nèi)流態(tài)示意圖Fig．1 Sketch of flow patterns in the tunnel in the case of free outflow

2．1．3 流態(tài)轉(zhuǎn)換界限值的確定

上述提到的k1，k2m，k2s稱為流態(tài)轉(zhuǎn)換界限值。

（1）常數(shù)k1為無壓流至半有壓流的轉(zhuǎn)換界限值，主要與隧洞底坡、泄流量、進(jìn)口兩側(cè)邊墻、隧洞斷面的形式、尺寸有關(guān)，可通過試驗(yàn)確定。對(duì)導(dǎo)流隧洞，影響k1值的主要因素是進(jìn)口體型。k1值的變動(dòng)范圍為1．1～1．3，進(jìn)口邊墻局部阻力損失系數(shù)較大時(shí)取較小值；反之取較大值。一般可取k1＝1．2作為判別的界限值。

（2）常數(shù)k2m為緩坡隧洞由半有壓流至有壓流的界限值。

（3）常數(shù)k2s為陡坡隧洞由不穩(wěn)定流態(tài)至有壓流的界限值，需通過試驗(yàn)確定。工程中常取均值k2s＝1．5，當(dāng)1．2＜H／a＜1．5時(shí)為半有壓流或不穩(wěn)定流態(tài)；當(dāng)H／a＞1．5時(shí)為有壓流。

2．2 隧洞體型對(duì)隧洞流態(tài)的影響

上游水位對(duì)隧洞流態(tài)影響的分析已涉及了隧洞底坡、長度、進(jìn)口體型、洞高等隧洞體型因素對(duì)隧洞流態(tài)的影響。下面進(jìn)一步說明各因素對(duì)隧洞流態(tài)的影響。

2．2．1 隧洞坡度對(duì)隧洞流態(tài)的影響

由2．1節(jié)分析可知，有壓流—半有壓流—明流的平穩(wěn)過渡或反向平穩(wěn)過渡，只在緩坡隧洞才有可能［6］。而陡坡隧洞在1．2＜H／a＜k2s，h0＞a，且隧洞較長時(shí)，無論進(jìn)口頂部為銳緣還是曲線形，洞內(nèi)均會(huì)出現(xiàn)明滿交替流?？梢?，隧洞坡度易于產(chǎn)生明滿流交替現(xiàn)象，是明滿交替流形成的重要因素。

2．2．2 隧洞進(jìn)口體型對(duì)隧洞流態(tài)的影響

隧洞進(jìn)口頂部體型主要有銳緣和曲線2大類型。對(duì)于陡坡隧洞，當(dāng)1．2＜H／a＜k2s，h0＜a時(shí)，陡坡隧洞進(jìn)口采用銳緣泄流能力和洞內(nèi)流態(tài)與采用曲線形式的明顯不同，存在泄流能力和洞內(nèi)流態(tài)的沖突。對(duì)于銳緣進(jìn)口形式，會(huì)形成水流封閉進(jìn)口而洞內(nèi)為無壓流的半有壓流狀態(tài)，其泄流能力較低；對(duì)于曲線進(jìn)口形式，會(huì)形成明滿流交替流，其泄流能力較高。

2．2．3 隧洞洞高對(duì)隧洞流態(tài)的影響

由2．1節(jié)分析可知，洞高a對(duì)隧洞流態(tài)的影響與正常水深h0及洞長l密切相關(guān)。在1．2＜H／a＜k2s時(shí)，當(dāng)h0＞a，洞長l較大時(shí)，洞內(nèi)將出現(xiàn)明滿交替流狀態(tài)，洞長l較小時(shí)出現(xiàn)半有壓狀態(tài)；當(dāng)h0＜a，進(jìn)口頂部為銳緣的隧洞會(huì)出現(xiàn)半有壓狀態(tài)，進(jìn)口頂部為曲線的隧洞則可能出現(xiàn)明滿交替流狀態(tài)。

2．2．4 隧洞長度對(duì)陡坡隧洞流態(tài)的影響

陡坡隧洞長度界限lks對(duì)陡坡隧洞流態(tài)有較大影響。對(duì)于進(jìn)口頂部為銳緣的陡坡隧洞，當(dāng)1．2＜H／a＜k2s，正常水深h0＞a，l＜lks時(shí)，出現(xiàn)半有壓流，見圖1（b）；當(dāng)l＞lks時(shí)，將發(fā)生明滿交替流，見圖1（c）。lks值由式（2）確定：

式中：li＝4a；l0＝（0～0．5）a，一般可忽略；ls可用分段求和法由推算C2型水面曲線決定，hc按式（3）計(jì)算。li，ls，l0含義如圖2所示。

圖2 陡坡隧洞半有壓流Fig．2 Partial pressure flow in steep slope tunnel

圖3 i與lks／a的關(guān)系圖Fig．3 Curves of i vs．lks／a

式（3）中μ為流量系數(shù)，隨進(jìn)口首部類型而定，見表2［5］。

對(duì)于進(jìn)口為垂直洞臉、銳緣、圓角或斜角，洞身斷面為矩形或圓形，其表面為混凝土的，無論有無翼墻，無論是緩坡或陡坡，均可利用圖3［23］的曲線估算界限長度lks。圖3中，r為圓角進(jìn)口的半徑，w為斜角進(jìn)口的折線高度，a為洞高。由圖3可知，采用銳緣進(jìn)口，可獲得較長的界限長度lks；當(dāng)?shù)膔／a≥0．06或w／a≥0．06后，在洞高不變時(shí)，界限長度lks基本為常數(shù)，且數(shù)值較小。

2．2．5 隧洞轉(zhuǎn)彎段對(duì)陡坡隧洞流態(tài)的影響

研究表明［24］：直洞的明滿流交替范圍大體為H／a＝1．1～1．5；而彎道隧洞內(nèi)明滿流交替范圍為H／a＝1．4～2．7。因此，具有彎道的隧洞，其明滿流形成的水位運(yùn)行區(qū)間明顯大于直洞。

2．2．6 閘門井吸氣對(duì)陡坡隧洞流態(tài)的影響

有的工程在進(jìn)口漸變段后設(shè)置有閘門井，如馬來西亞某工程。試驗(yàn)表明［1－2］：陡坡隧洞進(jìn)口頂部區(qū)為負(fù)壓區(qū)，在進(jìn)口頂部曲線設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)使負(fù)壓絕對(duì)值較大，導(dǎo)致閘門井形成吸氣，會(huì)擴(kuò)大洞內(nèi)明滿交替流的流量區(qū)間跨度。

表2 流量系數(shù)及洞口水流側(cè)收縮系數(shù)Table 2 The discharge coefficients and the side contraction coefficients at tunnel inlet

2．3 隧洞進(jìn)口漩渦對(duì)隧洞流態(tài)的影響

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口一般布置在河道旁側(cè)，由于洞前水流來流的不對(duì)稱性，在一定的進(jìn)口淹沒水深段，隧洞進(jìn)口前將發(fā)生漩渦。漩渦分表面不吸氣漩渦、間歇吸氣漩渦、間歇串通吸氣漩渦及穩(wěn)定串通吸氣漩渦4類。表面不吸氣漩渦對(duì)洞內(nèi)流態(tài)影響較小，而吸氣漩渦則會(huì)將大量空氣吸入隧洞，水流中挾氣的積累會(huì)形成氣囊，不穩(wěn)定氣囊隨水流聚散、膨脹收縮、由上至下推移，使得洞內(nèi)水流狀態(tài)極不穩(wěn)定，會(huì)增大明滿交替流發(fā)生的流量區(qū)間跨度。

在導(dǎo)流洞布置及體型確定的情況下，漩渦的類型主要與導(dǎo)流洞進(jìn)口的淹沒水深及洞口尺寸有關(guān)。長江科學(xué)院 水江坪河水電站導(dǎo)流隧洞模型試驗(yàn)［25］表明：當(dāng)相對(duì)淹沒深度H／a＜1．15時(shí)，漩渦一般以表面不吸氣漩渦為主，偶有吸氣漏斗漩渦發(fā)生；當(dāng)1．15＜H／a＜2．80時(shí)，漩渦以脈動(dòng)吸氣漏斗漩渦為主，伴有串通吸氣漏斗漩渦發(fā)生，發(fā)生串通吸氣漏斗漩渦時(shí)漩渦直徑較大，可聽到吸氣聲；當(dāng)H／a＜3．08時(shí)，漩渦強(qiáng)度又明顯減弱，漩渦一般以淺渦為主，偶而有吸氣漏斗漩渦發(fā)生。可見，發(fā)生吸氣漩渦的相對(duì)淹沒深度H／a區(qū)間，正好覆蓋洞內(nèi)形成發(fā)生明滿流交替的1．2＜H／a＜k2s區(qū)間，因此，漩渦吸氣是洞內(nèi)明滿交替流形成的重要影響因素。

2．4 隧洞進(jìn)口引渠布置對(duì)隧洞流態(tài)的影響

如馬來西亞某工程的導(dǎo)流隧洞［1－2］均布置在左岸，進(jìn)流不對(duì)稱，且進(jìn)口頂部平臺(tái)向上游伸出山體一定距離，在水位高出洞頂平臺(tái)后有較大回旋空間，易于形成吸氣漏斗漩渦，吸入洞內(nèi)的氣體將加大洞內(nèi)水流的不穩(wěn)定，增大了明滿流交替流量區(qū)間跨度。

3 陡坡隧洞明滿交替流的改善措施

由以上分析可知，陡坡隧洞洞內(nèi)明滿交替流形成的影響因素主要有導(dǎo)流洞體型因素（包括隧洞底坡、進(jìn)口體型、洞高、洞長、是否有轉(zhuǎn)彎段、閘門井等）、進(jìn)口吸氣漩渦形成因素（包括庫水位變幅、導(dǎo)流洞進(jìn)口引渠段的不對(duì)稱性布置、進(jìn)口頂部區(qū)域有較大的水流回旋空間等）、閘門井吸氣形成因素（包括洞頂壓力特性、門井體型等）。上述因素中，隧洞底坡、長度、轉(zhuǎn)彎段布置、較大的庫水位變幅等，是工程依據(jù)特定的地形、地質(zhì)、工程運(yùn)用要求以及安全經(jīng)濟(jì)考慮下形成的，難以做太大改變。因此，下面重點(diǎn)從消渦措施、消除閘門井吸氣措施、進(jìn)口體型優(yōu)化等方面探討陡坡隧洞明滿交替流的改善措施。

3．1 消渦措施

要消除漩渦或減小漩渦強(qiáng)度，首先需分析漩渦形成的條件，再據(jù)此制定可行的措施。

3．1．1 漩渦形成條件及消渦對(duì)策

漩渦形成的主要因素有相對(duì)淹沒深度H／a、進(jìn)口布置的不對(duì)稱性以及回旋空間大小、進(jìn)口體型等。上游水位的運(yùn)行區(qū)間與隧洞泄流能力、導(dǎo)流工程造價(jià)以及后期運(yùn)用要求等密切相關(guān)。當(dāng)洞前發(fā)生吸氣漩渦的流量區(qū)間較大時(shí)，可通過調(diào)整隧洞的高、寬比及調(diào)整泄流能力，減小吸氣漩渦發(fā)生的流量區(qū)間。由于導(dǎo)流隧洞布置于河道一側(cè)或兩側(cè)，來流流向與進(jìn)水口軸線往往存在夾角，加上進(jìn)口布置及地形邊界因素，導(dǎo)致進(jìn)流條件的不對(duì)稱。有的工程因地形、地質(zhì)條件制約，隧洞進(jìn)口附近存在較大的水流回旋空間，這些均會(huì)為漩渦形成提供有力條件。因此，通過模型試驗(yàn)研究，優(yōu)化進(jìn)口布置，調(diào)整進(jìn)水口與周圍建筑物的相對(duì)布置，盡可能使進(jìn)水口附近水流邊域呈對(duì)稱布置，盡量減小隧洞附近的來流流向與進(jìn)水口軸線的夾角是減免進(jìn)水口漩渦的有效途徑。此外，還可在漩渦發(fā)生部位安裝專門的結(jié)構(gòu)體如防渦梁、板和消渦柵，就地?fù)羲殇鰷u，也是消渦的有效措施。但因?qū)Я魉矶炊酁榕R時(shí)工程，考慮到安裝專門的結(jié)構(gòu)體造價(jià)高、施工困難，在實(shí)際工程中較少采用。

3．1．2 消渦措施的試驗(yàn)研究

馬來西亞某工程的導(dǎo)流試驗(yàn)［1］對(duì)消渦措施進(jìn)行了探索研究。因地形、地質(zhì)條件制約，1＃，2＃隧洞進(jìn)口布置均不對(duì)稱，左高右低，在上游水位較低時(shí)存在側(cè)向進(jìn)流，形成右側(cè)吸氣漏斗漩渦；在上游水位淹沒進(jìn)口段頂部平臺(tái)后，開始形成吸氣漏斗漩渦。因洞頂平臺(tái)伸出山體較遠(yuǎn)，在洞口前存在較大的水流回旋空間而加大了漩渦強(qiáng)度。因此試驗(yàn)從進(jìn)口對(duì)稱性及減小水流回旋空間角度進(jìn)行了消渦措施探索。試驗(yàn)將1＃，2＃隧洞進(jìn)口引渠段兩側(cè)喇叭口布置改為完全對(duì)稱，并設(shè)置了對(duì)稱導(dǎo)墻；在進(jìn)口段頂部平臺(tái)的洞口前沿設(shè)置隔水墻。試驗(yàn)表明：上述消渦措施有效減小了洞前回旋水流的回轉(zhuǎn)區(qū)間，從而有效減小了立軸漩渦的強(qiáng)度，改變了漩渦類型。1＃，2＃導(dǎo)流隧洞發(fā)生明滿交替流的流量區(qū)間跨度分別由1 370 m3／s和600 m3／s減小至300 m3／s，洞內(nèi)明滿交替流的改善效果顯著。

3．2 消除閘門井吸氣措施

馬來西亞某工程的導(dǎo)流試驗(yàn)［1］成果表明：在閘門井通氣、僅采取部分消渦措施情況下，當(dāng)上游水位淹沒進(jìn)口段頂部平臺(tái)一定高度后，因洞內(nèi)負(fù)壓作用，閘門井不但不向外排氣，反而向洞內(nèi)吸氣，加劇了洞內(nèi)明滿交替流的形成。閘門井吸氣的根源在于洞內(nèi)存在較大負(fù)壓。封堵閘門井雖可防止閘門井吸氣，減小明滿流交替區(qū)間，但卻使洞內(nèi)負(fù)壓絕對(duì)值增大，壓力特性進(jìn)一步惡化。因此，封堵閘門井措施并不可取，而應(yīng)從改善洞內(nèi)壓力考慮。試驗(yàn)采取了進(jìn)口體型優(yōu)化和出口縮小15%面積壓坡措施，進(jìn)口體型優(yōu)化改善了喇叭口段及漸變段的壓力分布特性，出口壓坡增大了整個(gè)隧洞的壓力。閘門井吸氣現(xiàn)象消失，洞前吸氣漩渦強(qiáng)度也得到減弱，明滿流交替的流量區(qū)間跨度明顯減小。但出口壓坡對(duì)泄流能力影響較大，需結(jié)合泄流能力的設(shè)計(jì)要求確定壓坡幅度。

3．3 進(jìn)口頂部體型選擇及優(yōu)化

隧洞進(jìn)口頂部體型主要有銳緣和曲線2大類型。如2．2．2節(jié)所述，對(duì)于陡坡隧洞，2種進(jìn)口頂部體型存在泄流能力和洞內(nèi)流態(tài)的沖突。采用銳緣進(jìn)口形式，可避免明滿流交替流的發(fā)生，其泄流能力較低；而采用曲線進(jìn)口形式，泄流能力較高，但會(huì)形成明滿流交替流。因此，需結(jié)合工程造價(jià)和隧洞運(yùn)行安全予以權(quán)衡，在工程造價(jià)增加不大的前提下，為保證隧洞安全運(yùn)行，陡坡隧洞設(shè)計(jì)宜采用銳緣進(jìn)口形式，盡量避免明滿交替流發(fā)生。

3．4 其他措施

對(duì)于陡坡隧洞，當(dāng)1．2＜H／a＜k2s、隧洞長度較短時(shí)，可合理設(shè)計(jì)隧洞斷面尺寸及洞高，使H／a可避免明滿交替流發(fā)生。在地形、地質(zhì)及下游消能防沖布置允許的情況下，應(yīng)盡量減小洞長l，使l＜lks，可減小明滿交替流發(fā)生的流量區(qū)間。

4 結(jié)論與建議

（1）陡坡隧洞易于形成明滿交替流，明滿交替流是一種時(shí)而無壓、時(shí)而有壓的不穩(wěn)定水流狀態(tài)，會(huì)對(duì)隧洞產(chǎn)生空化空蝕、振動(dòng)、沖擊破壞。國內(nèi)外對(duì)具有高速水流且易于發(fā)生明滿交替流的陡坡隧洞中出現(xiàn)的明滿流交替問題的研究則極少，有待深入研究。

（2）陡坡隧洞明滿交替流形成的主要影響因素包括洞前相對(duì)淹沒深度H／a、隧洞體型（隧洞底坡、進(jìn)口頂部體型、洞高、洞長、是否有轉(zhuǎn)彎段、閘門井等）、進(jìn)口引渠布置以及由上述因素形成的吸氣漩渦、閘門井吸氣影響等。

（3）綜合考慮工程地形、地質(zhì)、工程運(yùn)用要求以及安全經(jīng)濟(jì)等因素，可采取調(diào)整相對(duì)淹沒深度H／a、進(jìn)口布置對(duì)稱性以及回旋空間大小、進(jìn)口體型優(yōu)化等消渦措施，采取進(jìn)口體型優(yōu)化、出口壓坡等消除閘門井吸氣措施，采取優(yōu)化與選擇隧洞進(jìn)口頂部體型以及優(yōu)化洞高、洞長等措施，達(dá)到改善陡坡隧洞的明滿交替流的目的。

（4）陡坡隧洞除洞內(nèi)流態(tài)復(fù)雜外，還存在泄流能力缺乏成熟計(jì)算方法、洞內(nèi)負(fù)壓段長度較大且絕對(duì)值較大、洞內(nèi)流速較大、出口下游消能防沖等水力學(xué)問題，均有待深入研究。

［1］ 李學(xué)海，石教豪，曾正春．馬來西亞某水電站施工導(dǎo)流（兩洞方案）1∶80水工整體模型試驗(yàn)成果報(bào)告［R］．武漢：長江科學(xué)院，2009．（LIXue hai，SHI Jiao hao，ZENG Zheng chun．Report on the 1∶80 Integral Hydraulic Model Test for the Construction Diversion（Double Tunnel Scheme）of a Hydropower Station in Malaysia［R］．Wu han：Yangtze River Scientific Research Institute，2009．（in Chinese））

［2］ 李學(xué)海，石教豪，曾正春．馬來西亞某水電站施工導(dǎo)流（單洞方案）1∶80水工整體模型試驗(yàn)成果報(bào)告［R］．武漢：長江科學(xué)院，2009．（LIXue hai，SHI Jiao hao，ZENG Zheng chun．Report on the 1∶80 Integral Hydraulic Model Test for the Construction Diversion（Single Tunnel Scheme）of a Hydropower Station in Malaysia［R］．Wu han：Yangtze River Scientific Research Institute，2009．（in Chinese））

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（編輯：劉運(yùn)飛）

Causes and Control M easures of M ixed Free Surface Pressure Flow in Steep slope Tunnel

LIXue hai1，LIHeng2，SHIJiao hao1
（1．Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Construction Department，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，ChangjiangWater Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Themixed free surface pressure flow which is easily formed in steep slope tunnels results in cavitation e rosion，vibration and impact damage．On the basis ofmodel test data of steep slope tunnels，the influencing factors and the controlmeasures ofmixed free surface pressure flow in steep slope tunnel is researched．It’s found that the main influencing factors include relative submerge depth H／a，tunnel shape（bottom slope，inlet top shape，tunnel height，tunnel length，bending section，gate shaft），inlet approach channel configuration and the consequent air suction swirl and air intake in the gate shaft．According to the terrain condition，geological condition，project func tion，operation safety and economic factor，measures as follows can be adopted to control the mixed free surface pressure flow in steep slope tunnel：vortex suppression，air intake suppression in gate shaft，and optimization of in let top shape，tunnel height and tunnel length．

steep slope tunnel；influencing factor；mechanism of formation；controlmeasures

TV131．3

A

1001－5485（2013）08－0040－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．010

2013，30（08）：40－45

2013－05－03；

2013－06－03

國家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（51279014）

李學(xué)海（1966－），男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，主要從事水力學(xué)及流態(tài)力學(xué)方面的研究，（電話）027－82829903（電子信箱）65689＠sina．com。