数值计算在反坡隧洞充水期空腔形成过程分析中的应用.pdf

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1、2013年第9期黑龙江水利科技No．9．2013(第41卷)HeilongjiangScienceandTechnologyofWaterConservancy(TotalNo．41)文章编号：1007—7596(2013)09—0040—04数值计算在反坡隧洞充水期空腔形成过程分析中的应用周理佑(福建省华舜水利水电工程有限公司，福建沙县365500)摘要：数值计算是人类认识世界的新手段。自理论分析与科学试验之后，数值模拟已成为人类认识世界最重要的手段。它主要用来解决不可能进行实验的问题和进行实验代价太大的问题。同时它又融和了理论分析和科学试验的特点，数值模拟／仿真

2、已经不再局限于科学计算，正广泛被用在科学研究、工程与生产领域。文章以实际工程为例，采用了数值计算方法对反坡隧洞充水过程进行模拟，对不同工况下充水过程空腔分布情况及隧洞排气的影响进行了详细说明。关键词：隧洞反坡；充水；排气；数值模拟；过程分析中图分类号：TV672．1文献标识码：B3+420m处底部高程为159．61m，故有坡度约为一l工程概况0．003的反坡。某隧洞工程洞Ks862m(投影长度)，开挖断面3)桩号3+812in处底部高程为158．95rn，桩号为2．6×2．8m的城门型断面，设计平坡段桩号为03+963m处底部高程为159．52m，产生坡度约为一+0

3、00～5+353，底高程157．75m；降坡段桩号为5+0．004的反坡。353～8+862，坡降0．003。由于施工水平与控制不4)桩号5+249m处底部高程为157．75m，桩号足，导致隧洞开挖后出现了多处反坡段：5+3221TI处底部高程为158．80ITI，产生坡度约为一1)隧洞在桩号2+576nl处底部高程为0．014的反坡。具体见图1。158．19m，因而产生了坡度约为一0．0005的反坡。2)桩号2+704Ill处底部高程为157．42m，桩号／———一隧洞趾1601"r挖涧窿线．ll．／———～／～—～11●．-一___——桩号{苫霜圣0羁挚鬣誉艟洞

4、开挖庶商程，m●兽皇一反坡情况正常(设计相符)f一00005+0006f0003f=+o002‘=-0O04f=+O001正坡图1隧洞开挖底纵坡图在供水期对隧洞进行充水满管操作时，因隧洞中反坡的存在，将导致隧洞多处存在空气腔，而无法[收稿日期]2013—08—14[作者简介]周理佑(1968一)，男，福建建瓯人，工程师，硕士，长期从事水利水电工程设计、施工管理工作。·-——40-——周理佑：数值计算在反坡隧洞充水期空腔形成过程分析中的应用第9期排除洞外。若在运行期通水后，将有可能在该处形触，在此处形成第二个满流段，供水至18．25h，洞内成空腔，容易对隧洞内的水流产

5、生气垫作用，且空腔空腔趋于稳定，水流不再向洞内供水，而是从闸门后内的气体不易自行排出隧洞外，从而不利于该供水通气孔外溢至稳定。至此，隧洞内形成了3个区域隧洞的安全运行及管理，甚至造成威胁¨。的空腔：因而针对该隧洞的现状，应用水气两相流理论1)桩号2+145m～2+650m，空腔长度505m，进行隧洞三维水流流场数值模拟计算，得到空腔可见图2。能的位置及稳定状态、对应隧洞中的水压力分布及2)桩号2+850m～5+250m，空腔长度流速分布，评估空腔存在的可能性、范围及其对隧洞2400m，见图3。过流能力和运行工况的影响。3)桩号5+270m～6+890m，空腔长度16

6、20m，见图4。这3个空腔在正常供水工况下是2研究方法无法随水流排出洞外，将一直保留在隧洞内，使得引本研究对象隧洞距离长、断面小，为空气动力学水隧洞一直处于明满流交替状态，对隧洞的供水安和水动力学问题的研究范畴，断面尺寸沿程变化，流全造成了很大的威胁。态复杂，属强非线性水气两相三维问题，因此本次数3．2当闸孔开度为5．0cm时值模拟采用了多相流模型进行模拟，将应用VOF闸孔处出流量为1．969—2．192m／s，流速约为(VolumeOfFluid)方法来模拟该多相流问题。15．0～18．1m／s，相应隧洞充水时间约为9．5h，由于采用控制体积法来离散计算区域，然后

7、在每个隧洞进口(桩号0+000m)至桩号2+576m位置形控制体积中对微分方程进行积分，再把积分方程线成了一0．0003的反坡，出闸孔的水流在闸门后形成性化，得到各未知变量，如速度、压力、紊动能k等的远驱式水跃，沿程随着能量的损失和转换，水深逐渐代数方程组，最后求解方程组即可求出各未知变量。加大，充水至约6．0h时，在桩号2+600m处，洞内水3反坡隧洞充水期空腔形成过程分析面与洞顶接触，形成部分满流状态，之后，水流继续针对隧洞充水过程进行模拟，隧洞长8862m，往隧洞下游流动，下游水面继续逐渐上升，至7．5h，上游库区库水位设置为正常蓄水位190．O0m，隧洞