錦州輸水隧洞進(jìn)口控制段水工模型試驗(yàn)研究

郭 鋒，魏 冰

(1.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110006;2.遼寧省水利工程技術(shù)審核與造價(jià)管理中心,遼寧 沈陽(yáng) 110006)

1 工程概況

LXB供水二期工程可將LXB供水工程調(diào)入水量，輸送給LXB重要城市、縣城、工業(yè)園區(qū)等用戶，促進(jìn)水庫(kù)、河湖水系連通，同時(shí)提供農(nóng)村人飲和高效農(nóng)業(yè)用水，并具備向周邊地區(qū)供水的條件。錦州輸水隧洞是LXB供水二期工程白石段隧洞的一部分，主要解決錦州市、二十家子工業(yè)園區(qū)及葫蘆島市城市生活、生產(chǎn)用水問(wèn)題。

輸水隧洞最大輸水規(guī)模15.39m3/s，隧洞起點(diǎn)由輸水主線壓力隧洞洞末端取水豎井接引，終點(diǎn)位于小凌河左岸灘地上，隧洞全長(zhǎng)35.06km，采用無(wú)壓輸水方式，隧洞斷面型式為圓拱直墻型，斷面尺寸為4.6m×5.25m(寬×高)，隧洞全部采用鉆爆法施工，隧洞起點(diǎn)底板高程100.0m，出口底板高程97.0m，洞底縱坡0.086‰，洞內(nèi)水深3.95m，凈空高度1.30m，凈空率20.1%。

2 進(jìn)口控制段工程布置

壓力隧洞洞末端取水豎井底高程74.0m，頂高程300.0m(地面)，豎井深226.0m，取水豎井在100.0m高程為錦州輸水隧洞進(jìn)口控制段，取水豎井內(nèi)水位在103.95～123.43m間變動(dòng)，為控制流量以及保證隧洞為無(wú)壓流，實(shí)現(xiàn)有壓流到無(wú)壓流的平順連接，進(jìn)口控制段依次為進(jìn)水洞、出口弧門(mén)控制段、消力池、穩(wěn)流池。進(jìn)口控制段總體布置見(jiàn)圖1。

進(jìn)水洞總長(zhǎng)43.0m，4.0m×6.0m(寬×高)，進(jìn)水洞進(jìn)口段設(shè)喇叭口，16m處設(shè)事故檢修閘門(mén)，上設(shè)事故檢修閘門(mén)啟閉機(jī)室，進(jìn)水洞出口段設(shè)8.0m壓坡段，出口處設(shè)弧形工作閘門(mén)，上設(shè)工作閘門(mén)啟閉機(jī)室，出口弧門(mén)控制段長(zhǎng)16.0m，寬4.0m；消力池長(zhǎng)20.0m，深2.0m，消力池底板高程98.00m，前端寬4.0m，末端寬10.0m；穩(wěn)流池長(zhǎng)10.0m，寬10.0m，穩(wěn)流池內(nèi)設(shè)穩(wěn)流堰保證下游隧洞為無(wú)壓流，利用穩(wěn)流堰與穩(wěn)流池內(nèi)水位的流量關(guān)系，通過(guò)控制穩(wěn)流池水位實(shí)現(xiàn)過(guò)堰流量控制，以此達(dá)到在任何工況下都能保證輸水線路按要求輸水流量運(yùn)行，穩(wěn)流堰采用薄壁堰堰型，底高程100.00m，堰頂高程103.228m，堰長(zhǎng)10.0m。

3 水工模型試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

錦州輸水隧洞進(jìn)口控制段建筑物整體布置相對(duì)復(fù)雜、運(yùn)行工況多、且已建成的類(lèi)似工程很少，因此需要通過(guò)水工模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，以便驗(yàn)證各水力要素設(shè)計(jì)計(jì)算值，解決進(jìn)口控制段總體布置、消能設(shè)施、穩(wěn)流設(shè)施等相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，確保工程的運(yùn)行安全。

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)通過(guò)模型試驗(yàn)研究，驗(yàn)證各水力要素設(shè)計(jì)計(jì)算值的正確性。

圖1 進(jìn)口控制段布置圖

(2)通過(guò)模型試驗(yàn)研究，解決進(jìn)口控制段總體布置、消能設(shè)施、穩(wěn)流設(shè)施等相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)一步完善和確認(rèn)方案，提出優(yōu)化方案，確保工程的運(yùn)行安全。

(3)根據(jù)不同的進(jìn)口引水水位，推薦出合理的進(jìn)口建筑物消能布置型式及尺寸。

(4)通過(guò)模型試驗(yàn)研究，調(diào)整參數(shù)，觀察流態(tài)情況，使消能建筑物滿足引水時(shí)穩(wěn)定洞內(nèi)無(wú)壓流的要求，并應(yīng)盡量減小小流量引水對(duì)洞內(nèi)的危害性。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)提供的進(jìn)口布置，推薦出合理的進(jìn)口消能建筑物結(jié)構(gòu)型式及尺寸，通過(guò)試驗(yàn)，調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，得到最佳水流狀態(tài)。

(2)消能設(shè)施應(yīng)滿足不同頻率水位下，各種引水流量的要求，確定滿足不同調(diào)水規(guī)模的閘門(mén)開(kāi)度、流態(tài)、流速、水面線，觀察進(jìn)口及洞內(nèi)水面波動(dòng)情況。

(3)當(dāng)小流量引水及設(shè)計(jì)流量引水達(dá)到穩(wěn)定流量時(shí)，給出洞內(nèi)水深、流速及水流流態(tài)等水面曲線情況，給出最佳建議方案。

(4)對(duì)進(jìn)水口漩渦情況進(jìn)行觀測(cè)。

4 模型的設(shè)計(jì)與制造

4.1 相似準(zhǔn)則與模型比尺

模型采用正態(tài)模型設(shè)計(jì)，遵照重力相似準(zhǔn)則，長(zhǎng)度比尺為λl=10，按重力相似條件下的水力參數(shù)的換算關(guān)系以及對(duì)應(yīng)的相似比尺見(jiàn)表1。

表1 重力相似條件下的各水力參數(shù)相似比尺

4.2 模型材料、制造與安裝

為保證模型試驗(yàn)可以反映原型的水流的真實(shí)狀況，在水工模型材料選擇時(shí)首先要考慮的就是模型材料的糙率情況。雖然無(wú)需使模型材料的糙率完全滿足相似的條件，但差異也不能過(guò)大，如果差異太大會(huì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果的精密度。依據(jù)重力相似要求，原型建筑物(鋼筋混凝土)的糙率np=0.014，按換算關(guān)系計(jì)算相似比尺，模型建筑物的糙率nm應(yīng)為0.0095左右較為合適。根據(jù)以往試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，有機(jī)玻璃的糙率一般在0.007至0.008之間，略小于計(jì)算的0.0095，因此，模型建筑物材料采用有機(jī)玻璃，能夠滿足試驗(yàn)要求。

模型的安裝要求：布置平面導(dǎo)線時(shí)應(yīng)根據(jù)模型的具體形狀和范圍來(lái)確定，采用經(jīng)緯儀對(duì)導(dǎo)線的方位進(jìn)行控制，允許的偏差范圍為±0.1°；采用水準(zhǔn)儀對(duì)模型高程進(jìn)行控制，需滿足精度控制的具體要求。

模型的精度控制要求：模型水準(zhǔn)基點(diǎn)和測(cè)針零點(diǎn)允許的誤差范圍為±0.3mm；模型高程允許的誤差范圍為±0.3mm；模型地形高程允許差的范圍為±2mm，平面距離允許誤差的范圍為±10mm。

安裝完成的整體水工模型見(jiàn)圖2。

圖2 安裝完成的整體水工模型圖

4.3 試驗(yàn)測(cè)試手段及測(cè)試儀器

(1)供水系統(tǒng)設(shè)施

水工模型試驗(yàn)供水系統(tǒng)由蓄水設(shè)施(蓄水池)，動(dòng)力機(jī)械泵，調(diào)節(jié)水塔，配水管以及回水槽等設(shè)施組成。

(2)試驗(yàn)量測(cè)儀器

恒定流水位采用水位測(cè)針及水位跟蹤儀進(jìn)行測(cè)定；恒定流時(shí)均壓力采用智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及壓力傳感器進(jìn)行測(cè)定；水流流速采用便攜式流速儀進(jìn)行測(cè)量；恒定流流量采用矩形量水堰進(jìn)行測(cè)量。

5 模型試驗(yàn)研究

5.1 試驗(yàn)工況及綜合流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果

按照低水位閘門(mén)全開(kāi)及高水位閘門(mén)局開(kāi)共設(shè)計(jì)九種工況進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，各工況基本數(shù)據(jù)及綜合流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

5.2 工況九模型試驗(yàn)結(jié)果

從上表可以看出，取水豎井內(nèi)水位高時(shí)，閘門(mén)開(kāi)度小，上下游水頭差大，因此，工況九應(yīng)為最不利工況。

(1)水流流態(tài)

工況九弧形閘門(mén)處水流流態(tài)、消力池內(nèi)水流流態(tài)、消力池出口水流流態(tài)見(jiàn)圖3～圖5。

表2 各試驗(yàn)工況綜合流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖3 弧形閘門(mén)處水流流態(tài)

圖5 消力池出口水流流態(tài)

圖7 水面線分布圖

(2)壓力分布

模型沿程共設(shè)置了33個(gè)壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)(有壓段設(shè)置21個(gè)測(cè)點(diǎn)，無(wú)壓段設(shè)置12個(gè)測(cè)點(diǎn))，工況九下各壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)水頭值見(jiàn)表3，底板測(cè)點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖6。

表3 工況九各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)水頭值

(3)水面線分布

工況九水面線分布情況見(jiàn)圖7。

5.3 分析閘門(mén)局開(kāi)時(shí)各個(gè)工況的流量系數(shù)與開(kāi)度e的關(guān)系

根據(jù)流量系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，以閘門(mén)開(kāi)度e為橫坐標(biāo)，以綜合流量系數(shù)為縱坐標(biāo)繪制閘門(mén)開(kāi)度與綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8 閘門(mén)開(kāi)度與綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線

圖9 閘門(mén)局開(kāi)時(shí)的水位與綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線(下游控制水位103.95m)

5.4 分析閘門(mén)局開(kāi)時(shí)各個(gè)工況的流量系數(shù)與水位的關(guān)系

根據(jù)下游控制水位為103.95m時(shí)的綜合流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果，以閘門(mén)局開(kāi)時(shí)的水位為橫坐標(biāo)，以綜合流量系數(shù)為縱坐標(biāo)水位與綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線，如圖9所示。

6 結(jié)論

(1)實(shí)測(cè)壓力表明，各工況下，無(wú)壓隧洞進(jìn)口控制段沿程各壓力測(cè)點(diǎn)沒(méi)有負(fù)值出現(xiàn)，由壓力分布圖能夠反映出壓力分布符合壓力特性。由試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，各工況下流速分布規(guī)律相同，與Fr數(shù)的分布規(guī)律相似。

(2)閘門(mén)局開(kāi)時(shí)，實(shí)測(cè)取水豎井內(nèi)7個(gè)水位分別為：106.03m、108.01m、110.24m、112.52m、115.21m、122.27m和123.43m，其對(duì)應(yīng)的消能率分別為：33.33%、50.98%、61.66%、68.89%、74.46%、82.81%和83.37%。從消能率可以看出，消力池的消能效果很好。

(3)所有工況下取水豎井內(nèi)水面波動(dòng)很小，沒(méi)有漩渦現(xiàn)象出現(xiàn)。水流從明流到滿流狀態(tài)能夠平穩(wěn)過(guò)渡，取水豎井內(nèi)水深變化最高不大于0.1m，且水面非常平穩(wěn)，不會(huì)危害控制段進(jìn)水口的安全運(yùn)行。

(4)所有工況下，控制閘門(mén)處全部為淹沒(méi)出流，淹沒(méi)度隨著豎井內(nèi)水位上升而上升，隨著閘門(mén)開(kāi)度的減小而減小。

(5)消力池內(nèi)水深受穩(wěn)流堰和無(wú)壓隧洞內(nèi)水深限制，因?yàn)樗矶磧?nèi)為明流，水深始終控制在3.95m，所以消力池內(nèi)的水深保持恒定，消力池內(nèi)水面的波動(dòng)隨著取水豎井內(nèi)水位的升高逐漸加大，低水位106.03m時(shí)，池內(nèi)水深為6.21m，消力池前端水面波動(dòng)范圍在0.3m左右，消力池末端波動(dòng)在0.2m左右；當(dāng)水位達(dá)到123.34m時(shí)，池內(nèi)水深略有增加為6.24m，消力池前端水面波動(dòng)范圍在1.1m左右，消力池末端波動(dòng)在0.7m左右。

(6)無(wú)壓輸水隧洞內(nèi)水面高程一直控制在3.95m，隨著取水豎井內(nèi)水位的升高，無(wú)壓洞內(nèi)水面線波動(dòng)逐漸增大，豎井內(nèi)水位為106.03m時(shí)，水面沿3.95m高程線上下波動(dòng)，最大波動(dòng)范圍為±0.06m，豎井內(nèi)水位為123.34m時(shí)，水面沿3.95m高程線上下波動(dòng)，最大波動(dòng)范圍為±0.35m，各種工況下隧洞內(nèi)有足夠凈空，均能滿足引水時(shí)穩(wěn)定洞內(nèi)無(wú)壓流的條件。

(7)通過(guò)試驗(yàn)繪制的閘門(mén)開(kāi)度與綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線、水位與綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線對(duì)工程運(yùn)行管理可以起到指導(dǎo)性作用。

(8)試驗(yàn)結(jié)果表明，所有試驗(yàn)工況下流態(tài)良好，能滿足設(shè)計(jì)要求。

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