錐型閥在無壓隧洞消能中的應用

韓志遠

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

錐型閥在無壓隧洞消能中的應用

韓志遠

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

當采用無壓隧洞進行跨流域調水輸水時，需要對水流進行控制及消能。無壓隧洞的消能方式有洞外消能和洞內消能。其中洞內消能有錐形閥消能工等四種類型，本文通過遼寧省某重點輸水工程中，錐型消能閥在無壓隧洞內消能的應用，詳細論述了錐形閥的設計及設計中需注意的問題，最終得出錐形閥消能工具有顯著的優(yōu)點值得在水利建設過程中推廣應用。

無壓輸水隧洞；錐型閥；洞內消能

1 引言

當采用無壓隧洞進行跨流域調水時，當在給水水庫考慮多級取水時，通常隧洞首部為有壓隧洞，隧洞內部水流蘊含極大的能量，這就對隧洞自身的結構、可靠度等提出了非常高的要求。為了防止隧洞因此而發(fā)生破壞，需要在隧洞首部增加消能措施，這對于水隧洞安全和降低造價極為有利。洞內消能與洞外消能相比，洞內消能可大大減小隧洞內部水流速度，避免洞內高速水流帶來的不利影響。并可降低隧洞襯砌材料抗沖耐磨標準，從而降低工程造價。無壓隧洞洞內消能一般有四種類型：孔板消能工、旋流式消能工、錐型閥消能工、無壓隧洞內消力池消能工。

錐型閥消能工是在輸水隧洞中聯接一段管道，設置一個錐型閥門，當水流流過錐型閥時，通過錐型閥錐體的導向作用，使水流以輻射狀擴散。水流在流向錐型閥下游時，以大角度擴散，通過錐閥與水流間的大面積摩擦，達到消能效果。

錐型閥消能工的主要組成為：芯軸、套筒、固定錐、導流罩、密封和驅動機構等。固定錐與進水管間通過芯軸上呈放射狀的4～6片筋板支撐連接，進水管斷面與椎體之間保持一定間距，套管套在筋板和主管外部，通過其前后移動改變對無管壁開放段的封閉長度，起到調節(jié)閥門開度的作用。

錐型閥消能工和傳統(tǒng)消能工相比，具有以下優(yōu)點：（1）錐型閥結構簡單，能夠與進水洞緊密結合，從而起到優(yōu)化樞紐布置，降低工程投資。（2）能夠靈活控制流量，在進行洞內消能的同時，還可調節(jié)控制洞內流量，在引水工程中廣泛應用。（3）經過錐型閥消能后，下泄水流能量小，與下游能平穩(wěn)銜接。因此在輸水隧洞中設置錐型閥消能工消能，具有重要的意義。

2 工程概況

遼寧省某重點輸水工程由進水口、有壓隧洞、錐形消能閥、無壓隧洞等部分組成。給水水庫正常蓄水位301.14m，校核洪水位311.94m，下游正常水位260.94m，取水口后接有2條洞徑為4.5m圓形壓力隧洞。每條壓力隧洞在末端分岔，每條壓力洞分別與廠房內水輪發(fā)電機組和錐形消能閥相接，錐型閥的作用為當電站機組進行檢修時，水流可以通過錐型閥進入下游，進行消能，提高了隧洞的供水保證率。水輪發(fā)電機組和錐形消能閥設備通過尾水洞與下游主洞相接。該輸水工程的樞紐布置平面圖如圖1所示。

錐形消能閥與發(fā)電機組并列布置在地下廠房中。錐型閥的直徑為2.4m，錐型閥安裝高程均為254.00m，出口為淹沒式出流，淹沒深度為12.34m。錐型閥出口接壓力尾水洞長60m，在距錐型閥出口23m處，設有尾水檢修平板閘門。尾水洞斷面尺寸為5.0m×5.0m（寬×高）。錐型閥細部結構圖如圖2所示。

圖1 樞紐布置平面圖

圖2 錐型閥細部結構圖

3 錐型閥的設計

3.1 閥門的消能和抗氣蝕的能力

目前錐型消能閥一般在出口加裝速度導流器和能量導流裝置，保證消能閥具有更好的消能效果和抗氣蝕能力。錐型閥后設能量導流器，使出口高速水流與導流片碰撞，消減速度水頭和能量。未加裝能量導流器的錐型閥，消能率為60%，加裝能量導流器的錐型閥消能率達90%。固定錐型閥后端為錐型結構，使氣蝕發(fā)生的部位不在噴管的管壁上，通過設在閥門后端的速度和能量導流器，使氣蝕區(qū)域與閥體的金屬壁分開，氣泡在閥體的內部破裂，而不在閥體內金屬壁破裂。同時，能量導流器可以避免閥門后端管道受氣蝕的破壞。即使在出口壓力為負壓時，仍能保證良好的抗氣蝕特性。大壓差消能運行時，允許的噴管流速可達16m/s，抗氣蝕指數可達0.15，具有較好的抗氣蝕性能。在線式調流錐型閥，允許的前后最大壓差為200m。因此完全可以采用錐型閥進行消能。

3.2 閥門的過流能力

消能型固定錐型閥最大開度下的流阻系數為1.35～2，本工程通過模型試驗的方法，確定錐型閥的直徑為2.4m。

3.3 閥門的可靠性

固定錐型閥閥門上設有人孔，不用拆卸閥體，即可通過人孔進入閥體進行維修。固定錐型閥驅動機構在閥體外部，維修方便。固定錐型閥的前端密封采用金屬硬密封，閥門的壽命期內不需更換。

3.4 錐形閥消能率的驗證

本工程通過模型試驗來研究消能率的大小，消能率采用能量守恒定律，消能率數值大小采用錐形閥前后斷面的能量差值與初始能量的比值來衡量。公式如式1～式3所示：

文獻標識碼： 文章編號：1672-2469（2015）05-0090-02

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.028

韓志遠（1969年—），男，高級工程師。