長距離輸水工程溢流井及出水管道水力摻氣試驗研究

劉 瑤

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

受氣候條件影響，我國水資源時空分布不均，季節(jié)性和區(qū)域性差異較大，總體呈東多西少、南多北少的格局。新中國成立以來，為了促進水資源與區(qū)域發(fā)展相協(xié)調(diào)，黨中央、國務(wù)院及各地區(qū)政府實施了南水北調(diào)、引黃入晉、引黃濟青等多項長距離輸配水工程。溢流井是輸配水工程中非常關(guān)鍵的構(gòu)筑物，尤其是在長距離輸水工程中，由于輸水管線較長，管徑較大，建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜且較多，加之沿線地形條件復(fù)雜，地勢起伏變化不定，需要在輸水管沿線布設(shè)多個溢流井。溢流井在長距離輸水工程中主要作用是調(diào)節(jié)流量，多用于輸水工程檢修、維護以及突發(fā)性事故輸水應(yīng)急處理等。

目前，水力摻氣是容易產(chǎn)使輸水管道產(chǎn)生負壓和氣阻效應(yīng)，是影響輸水工程效率和造成輸水設(shè)施安全隱患的主要因素。由于水力摻氣現(xiàn)象的復(fù)雜性和不確定性，目前國內(nèi)外尚未建立成熟的水力摻氣現(xiàn)象分析計算理論，無法實現(xiàn)數(shù)值分析和模擬，而對輸水工程中溢流井水力摻氣現(xiàn)象研究成果更是缺乏。本試驗以某長距離輸水工程中溢流井為例，通過建立物理模型，模擬原型水力條件，觀測不同流量下溢流井及其下游連接管道水體摻氣及管壁壓力，并提出了優(yōu)化方案，對于減免構(gòu)筑物安全隱患，提高輸配水效率等具有重要的實際意義。

1 溢流井原型設(shè)計方案

1.1 方案1

某長距離輸水工程中溢流井呈馬蹄形，溢流井正常工作水位208.90m，最高溢流水位211.0m，計流量為41.0m3/s。該溢流井主要包括進水管道、堅井、連接池、出水管道等。堅井和連接池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，豎井高度31.2m，內(nèi)徑2.9m，連接池內(nèi)部最大尺寸為22.10m(長度)×17.20m(寬)×4.0m(高)；進水管道內(nèi)徑為5.80m，出水管內(nèi)徑3.60m，材質(zhì)均采用無縫鋼管。溢流井工作時，水流通過進水管道進入豎井，當豎井水位超過井口高程209.50m時，水流進入連接池，通過末端出水管道將水排至指定地點，如圖1所示。

圖1 方案1溢流井結(jié)構(gòu)圖

1.2 方案2

在方案1的基礎(chǔ)上，將連接池溢流池底板型式斜板式調(diào)整為平板式，調(diào)整后底板高程206.0m，出水管進口中心高程由204.90m變?yōu)?07.97m，出水管道進口底部與連接池底板高程一致。調(diào)整后連接池內(nèi)部最大尺寸為22.10m(長度)×17.20m(寬)×7.20m(高)，其它設(shè)計參數(shù)均保持不變，如圖2所示。

圖2 方案2溢流井剖面圖

2 試驗方案

2.1 模擬對象

為了保持模型與原型水力條件相似，選取原型進水管道、堅井、連接池、出水管道作為模擬對象，同時考慮到水力摻氣現(xiàn)象與進水管道、豎井及出水管道長度無關(guān)，分別截取進水管道、豎井和出水管道長度300m進行模擬。

2.2 模型類型及比尺

本試驗采用正態(tài)、恒定流模型，其中長度比尺Lr=10，面積比尺Ar=100，體積比尺Vr=1000，壓強比尺Pr=10，流量比尺Qr=316.23。

2.3 模型材料及精度控制

目前，水工模型材料可選用木材、水泥、有機玻璃、塑料和金屬材料等，為了便于觀測水力現(xiàn)象，模型采用無色有機玻璃制作。模型采用分體制作，幾何斷面制作采用數(shù)控機床切割。模型制作和安裝精度按SL/T155—2012《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》相關(guān)要求進行控制，高程誤差為±0.3mm，平面距離誤差為±10mm；水準儀基點精度控制在±0.30mm，

2.4 觀測方法

模型流量觀測采用英國Katronic公司生產(chǎn)的超聲波流量計(型號KATflow200)，過程校準精度±0.5%。壓力觀測采用測壓管，測壓孔內(nèi)徑2.0mm，測讀精度控制在3.0mm；水力摻氣現(xiàn)象采用高倍攝像機記錄并結(jié)合專家現(xiàn)場分析的方式。

2.5 試驗組次

原型設(shè)計流量41.0m3/s，本試驗基本上按原型流量每增加2.0m3/s為1個組次，同時適當外延1組流量，共設(shè)置21個流量組次，并按流量比尺Qr=316.23換算成模型流量進行放水觀測。試驗組次見表1。

3 試驗成果對比分析

方案1：在2～45m3/s流量區(qū)間，連接池內(nèi)水體產(chǎn)生摻氣現(xiàn)象，在連接池末端出水口附近摻氣現(xiàn)象較為嚴重，隨著流量的增加，摻氣量越大。當進水管道流量達到或大于設(shè)計流量時，在出水管道產(chǎn)生氣阻，并在進口附近伴隨氣穴產(chǎn)生，氣穴中心位于管道兩側(cè)偏下。氣穴中心點壓強值隨著流量的增加，壓強變小。當流量達到16m3/s負壓較為明顯，并產(chǎn)生脈動壓強，當達到工程設(shè)計流量41m3/s時，壓強為-0.70m水柱。分析主要原因是水體經(jīng)斜板式連接池底板后，勢能轉(zhuǎn)化為動能，水流流速增大，與連接池邊壁和連接池內(nèi)柱體產(chǎn)生撞擊，致使水流發(fā)生紊亂，同時造成水體摻氣量過大。

方案2：在2～45m3/s流量區(qū)間，連接池內(nèi)水流平穩(wěn)，僅在連接池豎井周邊產(chǎn)生水體摻氣現(xiàn)象，隨著流量的增加，摻氣量越大，但隨著水體流動，氣體很快溢出水面，未隨水體進入出水管道內(nèi)。出水管道未產(chǎn)生氣阻、氣穴及負壓現(xiàn)象。

方案1與方案2出水管道進口壓力觀測結(jié)果如圖3所示。

圖3 出水管道進口附近壓強曲線

4 結(jié)語

通過本試驗可以看出，在2.0～45.0m3/s流量區(qū)間，方案1連接池內(nèi)水體流速較大，水流紊亂，連接池末端出水口附近水力摻氣較為嚴重，出水管道進口附近管壁有負壓和脈動壓強產(chǎn)生，流量越大，上述現(xiàn)象越明顯，將會影響輸水效率，對構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞，影響輸水工程安全運行。方案2連接池內(nèi)水流平穩(wěn)，流速較小，在連接池豎井周邊易產(chǎn)生水力摻氣，摻氣量較小，未對連接池體及出水管道產(chǎn)生不利影響。

綜上分析，長距離輸水工程溢流井及出水管道水力摻氣受流量、流速、連接池體型及出水管道進口形式等影響較大。為避免或減輕水體摻氣，溢流井宜采用大體型，控制連接池水體流速，盡可能使連接池與出水管道平滑連接。