泄洪隧洞洞前預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實驗室安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院蚌埠233000）

泄洪隧洞洞前預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實驗室安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院蚌埠233000）

根據水利工程實際水文、地形及樞紐布置等條件，在進行“龍抬頭”式泄洪隧洞工程建設時，為有效降低臨時擋水建筑物的規模及投資，常在隧洞洞前預留巖坎作為擋水圍堰。但工程竣工后，進行圍堰拆除時，要將圍堰完全清除則較為困難，這極易導致隧洞進流不均勻，對水流進入無壓洞后的流態造成不良影響。為研究洞前巖坎高度對隧洞洞內流態及沿程水面線的影響，本文通過模型試驗進行研究對比，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及水面線造成重大影響的巖坎安全高度。

泄洪隧洞預留巖坎流態水面線

1　引言

泄洪隧洞洞前預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模和投資，在相應主體工程竣工后再對預留巖坎進行拆除施工，以滿足工程運行要求。

預留巖坎通常采用爆破拆除，但預留巖坎處坎外水深通常較大，且巖坎一般距主體建筑結構及其他設施較近，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，這極易導致隧洞進流不均勻，進而對隧洞的流態及沿程水面線產生影響。

響洪甸水庫新泄洪隧洞為“龍抬頭”式泄洪隧洞，其進口為一段有壓短管（中設一檢修門，出口設一工作門），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，詳細分析了不同預留巖坎高度對“龍抬頭”式泄洪隧洞流態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，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50年代治淮初期興建的一座以防洪、灌溉為主，兼有發電、水產、航運等綜合效益的大（1）型水利樞紐工程。水庫于1956年4月開工建設，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。進口為喇叭形斜井，設有3m×7m平板門兩扇，出口設3m×7m平板滾輪控制閘門1扇。

響洪甸水庫新建泄洪隧洞進口位于大壩右岸范家沖內，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、出口明渠，隧洞全長269.231m。采用深式有壓短進口、明流無壓洞身結構形式。進口底檻高程112.00m，設置8.00m×8.50m弧形工作閘門及8.00m×8.50m平板事故閘門各1扇，啟閉機房設在豎井頂部145.00m高程平臺上，并在事故閘門井130.50m高程設一檢修平臺。無壓洞身段為圓拱直墻式城門形斷面，標準斷面底寬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，原布置方案洞前預留巖坎高程為118.00m。新洞有壓洞進口高度為11.25m，出口高度為7.00m。

3　模型設計

隧洞流態及沿程水面線采用單體模型進行模擬研究。為保證單體模型的進口流態與原型相似，新洞單體模型進流采用寬頂堰泄流以均勻進流，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，橫向左右側寬約330.00m，庫內地形模擬至145.00m等高線；下游取至洞出口下游約150.00m。

根據《水工（常規）模型試驗規程》（SL 155-2012）對相似性的要求，并考慮經濟合理，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及沿程水面線的影響

隧洞進流自巖坎跌下到達洞口，在巖坎前形成負壓，致使水流主流進入隧洞無壓洞后發生不穩定的左右擺動，新洞斜坡段水面線極不穩定。設計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的影響較小，故本文重點研究不同巖坎高度對新洞斜坡段的流態及水面線的影響。

表1　各巖坎高程設計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定左右擺動是受進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洞水流的影響程度，試驗針對不同巖坎高度對隧洞無壓段水面線穩定性的影響進行對比，通過分析新洞無壓段沿程水面線的穩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及水面線穩定性。

因無壓洞水面線不穩定主要發生在豎曲線段、斜坡段及反弧段，故試驗選取這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——設計洪水條件下的水面線變化。

4.1預留巖坎高程112.00m

巖坎高程為112.00m時，巖坎高程與新洞進口底板高程一致。新洞設計洪水時進流均勻平順，洞前漩渦小于原布置方案，有壓洞內總體流態平順，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預留巖坎高程114.00m

巖坎高程為114.00m時，巖坎比新洞進口底板高2.00m，巖坎阻擋后，新洞有壓洞進口高度為9.25m，比有壓洞出口高度大2.25m。新洞設計洪水時進流均勻平順，洞前漩渦小于原布置方案，有壓洞內總體流態平順，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預留巖坎高程116.00m

巖坎高程為116.00m時，巖坎比新洞進口底板高4.00m，巖坎阻擋后，新洞有壓洞進出口高度基本一致。新洞設計洪水時進流均勻平順，洞前漩渦小于原布置方案，有壓洞內總體流態平順，斜坡段水流較不穩定，時而出現水流封頂現象。

各巖坎高程設計洪水新洞無壓段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的流態影響很大。新洞進口巖坎高程為112.00m時，巖坎高程與隧洞進口底板高程一致，新洞無壓段水流流態較好，水面線基本平穩，水面線的波動是因隧洞進口左右側山體不對稱造成；巖坎高程為114.00m時，巖坎對新洞進流流態有一定影響，新洞斜坡段水面較為穩定，但時而有水花濺出，未出現水流封頂現象；巖坎高程為116.00m時，巖坎對新洞進流有較大影響，新洞斜坡段水面較不穩定，時而出現水流封頂現象。洞前巖坎高程越高，新洞無壓段水面波動越劇烈。

若進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的影響更為嚴重。為保證工程的安全使用，保持新洞無壓段水面線的穩定性，應控制洞前巖坎高程不超過114.00m。

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

5　結論

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定性，應控制新泄洪隧洞洞前巖坎高程不超過114.00m。“龍抬頭”式泄洪隧洞進口有壓段較短，洞前地形對隧洞進流的影響較大。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定，實際施工中，洞前巖坎的拆除應盡量完全、平整，若巖坎殘留較多，應根據實際情況進行研究分析