[发明专利]改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的工程方法，具体的说是在无压隧洞内急弯段上布设消力池，消除弯道高速水流冲击波，改善无压隧洞洞内水流流态的方法。

背景技术

隧洞是指在山体中或地下开凿的过水洞。水工隧洞可用于灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航。水流在洞内具有自由水面的，称为无压隧洞。

高速水流是指水流流速在15m/s～20m/s以上的水流。与中、低速水流相比，高速水流与过水边界的变化对水流的影响非常敏感。即使侧壁几何条件有微小的变化也可使水面产生冲击波。

隧洞线路水工隧洞是水利枢纽中的重要组成部分之一。隧洞线路必须与水利枢纽的建设任务相适应，并须根据地形、工程地质和水文地质、水文等条件选定。《水工隧洞设计规范》(SL279-2002)、《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)中规定，隧洞洞线在平面上宜布置为直线，低流速无压隧洞若采用曲线布置时，弯曲半径不宜小于5倍洞径(洞宽)，转角不宜大于60°，在弯道首尾设置直线段，其长度不宜小于5倍洞径(洞宽)；高速水流无压隧洞不应设置曲线段。而在实际工程中，在地形、地质等条件的限制下，在隧洞线路上设置曲线段往往是最经济的选择，而高速水流无压隧洞在弯曲段上如何布置，至今没有相关成功的工程经验。

高速水流无压隧洞弯曲段的布置首要问题是解决高速水流进入弯道形成的冲击波问题。通常，由弯道水流引起的急流冲击波是在两个条件共同作用下产生的，一个条件是水流为急流，另一个条件是水流边界发生变化，也就是当泄槽中水流为急流时，由于渠槽边壁偏转变化而使水流产生扰动，使下游形成一系列呈菱形的扰动波。急流冲击波不但会引起下游水流扰动，还有可能顶冲至隧洞洞顶，对隧洞的稳定极为不利。目前明渠中常用的几种消减弯道急流冲击波的方法为渠底超高法、弯曲导流板法、复曲线段法、斜槛法等。对于弯道高速水流而言，过水边界的改变不仅无法解决弯道冲击波问题，由于过水边界的改变，高速水流将会在形成新的冲击波，上述通过改变过水边界的方法均无法解决洞内弯道水流引起的水流冲击波问题，如何解决高速水流无压隧洞弯道冲击波的问题亟待研究。

此外，在上述规范中，在考虑弯道水流冲击波的影响下，对无压隧洞的曲线布置的转弯角度、转弯半径都进行了限制性的规定，探索一种更为有效的改善弯道水流冲击波的工程型式，更加灵活的布置洞线，对无压隧洞来说具有重要的意义。

消力池中水流流态属于典型的水跃，在很短的水平渠段内水深从小于临界水深急剧地跃到大于临界水深，随着水流运动要素的急剧变化，水流紊动、混掺强烈，旋涡与主流间水体不断能量交换，致使水跃段内有较大的能量损失，因此可利用水跃来消除水闸等泄水建筑物下游高速水流中的巨大能量。《水力学》(吴持恭主编，第二版)和《水闸设计规范》(SL265-2001)中根据自然水跃基本理论详细介绍了水闸下游棱柱体水平明渠底流消能的基本原理和消力池深度、长度计算公式，而弯道消力池由于弯道水流的横向比降和冲击波的影响，由于弯道底流消能还没有完善的理论基础，因此弯道消力池的池深和池长如何确定亟待研究。

对于高速水流来说，水流需要经过很长的斜坡段才能进入消力池中，而在实际工程中，特别是在弯道的进口段，斜坡段的距离往往不足以使水流进入消力池，因此弯道消力池的进口体型的确定是弯道高速水流消能的关键。

发明内容

本发明提供一种改善无压隧洞内急弯段高速水流流态的方法，以解决高速水流无压隧洞弯道冲击波的问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(1)弯道消力池进口斜坡段必须布置在隧洞直线段上，但要与工作闸门保持一定的距离，为避免低水头运行下淹没混合流水跃上溯至工作闸门，消力池进口斜坡段要与弧门支铰距离2.0m以上；

(2)通过推导出的弯道消力池计算方法计算消力池的池深；

(3)弯道消力池进口斜坡坡度与水流入射角度一致，可通过模型试验进行观测确定。在进口斜坡下部布设台阶，台阶高度为1/2～3/4消力池池深；

(4)弯道消力池宽度与隧洞洞身一致；

(5)弯道消力池出口斜坡段应布置在下游直线段上。消力池出口斜坡段同样布设台阶状斜坡，台阶高度宜为消力池池深的1/2，斜坡坡度一般为1:3或1:4；

(6)以上布置完成后，计算消力池总长；

所述弯道消力池的计算公式：

d_w＝σ₀h″_cw-h_s′-△Z(1)