高佛汝德数泄洪隧洞明流弯道水力特性研究

It is widely believed that a bend in horizontal plane is not suitable for a open tunnel. It is also a strict rule in Specification for Design of Hydraulic Tunnel (SL279-2002) that a horizontal curve should not be adopted in the open tunnel with high velocity. The open bend in tunnel spillways is hardly used in hydraulic engineering because the flow velocity is high, the Froude Number is large and the hydraulic condition is too bad to improve. It is observed in experiments that the hollow swirling flow is developed in the bend, the flow regime is similar to that of level swirling flow and the hydraulic condition of the former is more complex than that of the latter. The key of this project contains the hydraulic characteristics and the generation of the hollow swirling flow, the induction of the bend conformation and the approach condition to the formation of the hollow swirling flow, the application of non-orthogonal curvilinear coordinate system in the analysis on the bend flow of open tunnels, the capture for the free surface of the wall-attached spiral flow, the aeration characteristics, and the quantitative description for the self-aeration capacity of the hollow swirling flow. The investigation on the hydraulic characteristics of a open-tunnel bend with high Froude Number is helpful to the reappraisal of a open-tunnel bend, and has a great impact on the optimization design of a bend, the improvement of the bend flow and the tunnel safety. It also will promote the application of a open-tunnel bend into the hydroengineering in the southwest of China.

长期以来水利界普遍认为，明流泄洪隧洞不宜采用平面弯道，《水工隧洞设计规范》(SL279-2002)也明确规定高流速无压隧洞在平面上不应设置曲线段。泄洪隧洞中的明流弯道，由于流速大、佛汝德数高、处理难度大，因此极少在实际工程中得到应用。实验观测到，水流在弯道段形成曲轴空腔环流，流态近似于水平旋流，水力条件更为复杂。项目重点研究泄洪隧洞弯道曲轴空腔环流的水力特性及生成机理、弯道体型边界及来流条件对空腔环流的诱导作用、非正交曲线坐标系在泄洪隧洞弯道水流分析中的应用、贴壁螺旋流自由面的处理方法、掺气特性、曲轴空腔挟气能力的定量描述。高佛汝德数泄洪隧洞弯道水力特性研究，有助于重新认识泄洪隧洞明流弯道，对优化弯道设计、改善水流流态、保障隧洞安全有重要意义，对明流泄洪隧洞弯道在西南地区水利水电工程中的应用具有促进作用。

泄洪洞作为泄水建筑物被广泛应用于水利水电工程中。受河谷地形狭窄及不良地质条件的影响，洞线有时不得不布置成曲线。《水工隧洞设计规范》明确要求高流速无压隧洞在平面上不应设置曲线段。当泄洪洞布置中出现明流弯道时，往往采用其它措施予以避开。因此，对高佛汝德数泄洪洞明流弯道的研究开展较少。项目组采用实验方法，对城门型泄洪洞急流弯道及其下游水流进行了观测，展示了明流弯道水流流态。弯道内水流具有轴向前行与由凸岸流向凹岸的横向运动，由此产生凸岸水面逐渐降低、凹岸水面逐渐爬高的发展趋势；凹岸水流超过隧洞直墙的部分将紧贴洞顶继续沿轴向前行，同时其横向运动方向将演变为由凹岸指向凸岸；洞顶贴壁水流跃过洞顶最高点后，将沿着凸岸直墙下滑，形成瀑布。水流在弯道内呈现出环状状态，在下游顺直段内逐渐演变为表面起伏波动的水流。左岸水面波峰与右岸水面波谷位置大致对应，在向下游传播过程中，波动逐渐衰减。且单宽流量越大，水面线波动周期越长，振幅越大。根据实验结果，建立了凹岸水面触顶初始位置及第一波峰冲击拱顶范围的预测经验公式。为拓展实验成果、同时为泄洪隧洞设计者设计直墙高度提供参考，结合开敞式弯道水流的研究成果，进一步提出了凹岸水面触顶时位置的解析表达式。针对高流速无压隧洞弯道，提出了增设盖板的流态改善方法。结果表明：受到盖板引导，冲向凹岸的水流沿着盖板底部折向凸岸，平衡了弯道径向断面的水量分布，各断面的水面横比降减小，削弱了水流冲击波，水流流态相对稳定；下游顺直段水面起伏波动幅度明显削减。盖板法是改善弯道及下游直段流态的一种较有效的工程措施，特别是大流量时，盖板对弯道段及顺直段水力条件的改善效果尤为明显。通过设置不同盖板高度比较发现，盖板设置高度越低，弯道段及下游顺直段水流流态改善效果越显著。泄洪洞明流弯道水流存在着扭曲自由水面，且通过现有测试技术难以捕捉。为弥补实验方法缺陷同时获取更多水流信息，对泄洪洞无压弯道水流展开三维流场数值计算，对比了盖板设置前与设置后水面形态、流速、压强、剪切应力等参数的变化。计算获得了弯道段扭曲自由水面与顺直段内绸带状水面，比较发现，增设盖板能够缩小凸岸露底区域。项目取得了高佛汝德数泄洪洞明流弯道特性及水力优化的系统研究成果，可为泄洪洞明流弯道设计提供重要的科学依据，特别对西南山区河流水利水电开发具有广泛的应用前景。