泄洪隧洞洞前預(yù)留巖坎對隧洞沿程水面線的影響研究
——以響洪甸水庫新泄洪隧洞為例

張波

（水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院蚌埠233000）

泄洪隧洞洞前預(yù)留巖坎對隧洞沿程水面線的影響研究
——以響洪甸水庫新泄洪隧洞為例

張波

（水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院蚌埠233000）

根據(jù)水利工程實(shí)際水文、地形及樞紐布置等條件，在進(jìn)行“龍?zhí)ь^”式泄洪隧洞工程建設(shè)時，為有效降低臨時擋水建筑物的規(guī)模及投資，常在隧洞洞前預(yù)留巖坎作為擋水圍堰。但工程竣工后，進(jìn)行圍堰拆除時，要將圍堰完全清除則較為困難，這極易導(dǎo)致隧洞進(jìn)流不均勻，對水流進(jìn)入無壓洞后的流態(tài)造成不良影響。為研究洞前巖坎高度對隧洞洞內(nèi)流態(tài)及沿程水面線的影響，本文通過模型試驗(yàn)進(jìn)行研究對比，揭示了不同巖坎高度對隧洞無壓段水面線的影響程度，提出了不對無壓洞流態(tài)及水面線造成重大影響的巖坎安全高度。

泄洪隧洞預(yù)留巖坎流態(tài)水面線

1　引言

泄洪隧洞洞前預(yù)留巖坎可充分利用水文條件、自然地形和樞紐布置條件，有效地降低臨時擋水建筑物的規(guī)模和投資，在相應(yīng)主體工程竣工后再對預(yù)留巖坎進(jìn)行拆除施工，以滿足工程運(yùn)行要求。

預(yù)留巖坎通常采用爆破拆除，但預(yù)留巖坎處坎外水深通常較大，且?guī)r坎一般距主體建筑結(jié)構(gòu)及其他設(shè)施較近，拆除時的安全控制要求較高，拆除后水下開挖出渣難度較大，故巖坎拆除通常不完全，這極易導(dǎo)致隧洞進(jìn)流不均勻，進(jìn)而對隧洞的流態(tài)及沿程水面線產(chǎn)生影響。

響洪甸水庫新泄洪隧洞為“龍?zhí)ь^”式泄洪隧洞，其進(jìn)口為一段有壓短管（中設(shè)一檢修門，出口設(shè)一工作門），洞身為無壓流。其體型由有壓段、豎曲線段、斜坡段、反弧段和下平洞段組成。本文以響洪甸水庫新泄洪隧洞為例，詳細(xì)分析了不同預(yù)留巖坎高度對“龍?zhí)ь^”式泄洪隧洞流態(tài)及沿程水面線的影響。

2　工程簡介

響洪甸水庫位于淮河中游南岸支流淠河的西源——西淠河的上游，地處金寨縣境內(nèi)，壩址距六安市58 km，距合肥市137 km，距淠河入淮口174 km，是20世紀(jì)50年代治淮初期興建的一座以防洪、灌溉為主，兼有發(fā)電、水產(chǎn)、航運(yùn)等綜合效益的大（1）型水利樞紐工程。水庫于1956年4月開工建設(shè)，1958年7月竣工，同期開始蓄水。水庫總庫容26.32億m3。

老泄洪隧洞位于大壩右岸，全長303.09m，洞徑7m，鋼筋混凝土襯砌。進(jìn)口為喇叭形斜井，設(shè)有3m×7m平板門兩扇，出口設(shè)3m×7m平板滾輪控制閘門1扇。

響洪甸水庫新建泄洪隧洞進(jìn)口位于大壩右岸范家沖內(nèi)，與老泄洪隧洞緊鄰，兩洞軸線平行布置，相距約50.00m。出口位于廠房下游約70.00m處，包括進(jìn)、出口明渠，隧洞全長269.231m。采用深式有壓短進(jìn)口、明流無壓洞身結(jié)構(gòu)形式。進(jìn)口底檻高程112.00m，設(shè)置8.00m×8.50m弧形工作閘門及8.00m×8.50m平板事故閘門各1扇，啟閉機(jī)房設(shè)在豎井頂部145.00m高程平臺上，并在事故閘門井130.50m高程設(shè)一檢修平臺。無壓洞身段為圓拱直墻式城門形斷面，標(biāo)準(zhǔn)斷面底寬8.00m、高10.50m，底坡為0.05，出口處高程為78.41m，采用挑流消能。

響洪甸新泄洪隧洞進(jìn)口底板高程為112.00m，新洞前開挖高程為110.40m，原布置方案洞前預(yù)留巖坎高程為118.00m。新洞有壓洞進(jìn)口高度為11.25m，出口高度為7.00m。

3　模型設(shè)計(jì)

隧洞流態(tài)及沿程水面線采用單體模型進(jìn)行模擬研究。為保證單體模型的進(jìn)口流態(tài)與原型相似，新洞單體模型進(jìn)流采用寬頂堰泄流以均勻進(jìn)流，并在水舌下布置消能格柵；新洞單體模型縱向模擬至洞前約150.00m，橫向左右側(cè)寬約330.00m，庫內(nèi)地形模擬至145.00m等高線；下游取至洞出口下游約150.00m。

根據(jù)《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL 155-2012）對相似性的要求，并考慮經(jīng)濟(jì)合理，單體模型比尺選定為1∶30。

4　泄洪隧洞洞前巖坎對隧洞流態(tài)及沿程水面線的影響

隧洞進(jìn)流自巖坎跌下到達(dá)洞口，在巖坎前形成負(fù)壓，致使水流主流進(jìn)入隧洞無壓洞后發(fā)生不穩(wěn)定的左右擺動，新洞斜坡段水面線極不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)洪水時新洞斜坡段水花頻繁撞擊洞頂，反弧段后，水流基本對稱均勻。因巖坎對反弧段后流態(tài)的影響較小，故本文重點(diǎn)研究不同巖坎高度對新洞斜坡段的流態(tài)及水面線的影響。

表1　各巖坎高程設(shè)計(jì)洪水新洞無壓段三個典型斷面水深

新洞斜坡段水面線的不穩(wěn)定左右擺動是受進(jìn)洞水流的不均勻性影響，加之洞前巖坎高度過高造成。為研究不同巖坎高度對進(jìn)洞水流的影響程度，試驗(yàn)針對不同巖坎高度對隧洞無壓段水面線穩(wěn)定性的影響進(jìn)行對比，通過分析新洞無壓段沿程水面線的穩(wěn)定性來判斷巖坎的影響。因原布置方案巖坎高程過高，致使新洞斜坡段流態(tài)很差，故本文主要比較巖坎高程為112.00m、114.00m和116.00m時新洞斜坡段的流態(tài)及水面線穩(wěn)定性。

因無壓洞水面線不穩(wěn)定主要發(fā)生在豎曲線段、斜坡段及反弧段，故試驗(yàn)選取這3段中的典型斷面0+027.000、0+047.300和0+062.700來分析代表性工況——設(shè)計(jì)洪水條件下的水面線變化。

4.1預(yù)留巖坎高程112.00m

巖坎高程為112.00m時，巖坎高程與新洞進(jìn)口底板高程一致。新洞設(shè)計(jì)洪水時進(jìn)流均勻平順，洞前漩渦小于原布置方案，有壓洞內(nèi)總體流態(tài)平順，斜坡段水流基本平順,偶爾有水花濺起，水花濺起高度未超過邊墻高度。

4.2預(yù)留巖坎高程114.00m

巖坎高程為114.00m時，巖坎比新洞進(jìn)口底板高2.00m，巖坎阻擋后，新洞有壓洞進(jìn)口高度為9.25m，比有壓洞出口高度大2.25m。新洞設(shè)計(jì)洪水時進(jìn)流均勻平順，洞前漩渦小于原布置方案，有壓洞內(nèi)總體流態(tài)平順，斜坡段水流較為平順,偶爾有水花濺起，水花濺起高度未超過邊墻高度。

4.3預(yù)留巖坎高程116.00m

巖坎高程為116.00m時，巖坎比新洞進(jìn)口底板高4.00m，巖坎阻擋后，新洞有壓洞進(jìn)出口高度基本一致。新洞設(shè)計(jì)洪水時進(jìn)流均勻平順，洞前漩渦小于原布置方案，有壓洞內(nèi)總體流態(tài)平順，斜坡段水流較不穩(wěn)定，時而出現(xiàn)水流封頂現(xiàn)象。

各巖坎高程設(shè)計(jì)洪水新洞無壓段3個典型斷面水深見表1。

由表1可以看出，新洞洞前巖坎高程對新洞無壓洞內(nèi)的流態(tài)影響很大。新洞進(jìn)口巖坎高程為112.00m時，巖坎高程與隧洞進(jìn)口底板高程一致，新洞無壓段水流流態(tài)較好，水面線基本平穩(wěn)，水面線的波動是因隧洞進(jìn)口左右側(cè)山體不對稱造成；巖坎高程為114.00m時，巖坎對新洞進(jìn)流流態(tài)有一定影響，新洞斜坡段水面較為穩(wěn)定，但時而有水花濺出，未出現(xiàn)水流封頂現(xiàn)象；巖坎高程為116.00m時，巖坎對新洞進(jìn)流有較大影響，新洞斜坡段水面較不穩(wěn)定，時而出現(xiàn)水流封頂現(xiàn)象。洞前巖坎高程越高，新洞無壓段水面波動越劇烈。

若進(jìn)一步考慮摻氣水深的影響，巖坎高程為116.00m時，無壓段水流對隧洞洞頂?shù)挠绊懜鼮閲?yán)重。為保證工程的安全使用，保持新洞無壓段水面線的穩(wěn)定性，應(yīng)控制洞前巖坎高程不超過114.00m。

另外，若巖坎表面不平整，或左右側(cè)高差較大，巖坎對隧洞進(jìn)流的不利影響大于巖坎平整時對隧洞進(jìn)流的影響。

5　結(jié)論

為保證響洪甸水庫新泄洪隧洞的安全使用，保持新洞無壓段水面線的穩(wěn)定性，應(yīng)控制新泄洪隧洞洞前巖坎高程不超過114.00m。“龍?zhí)ь^”式泄洪隧洞進(jìn)口有壓段較短，洞前地形對隧洞進(jìn)流的影響較大。隧洞洞前巖坎拆除的不均勻性將直接影響隧洞無壓段水面線的穩(wěn)定，實(shí)際施工中，洞前巖坎的拆除應(yīng)盡量完全、平整，若巖坎殘留較多，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行研究分析