閘前溢流井在膠東調水隧洞建設中的應用

王繼濤

（山東省膠東調水局煙臺分局，山東 煙臺 264000）

水利工程有壓管路中常出現水錘現象，導致管道系統劇烈震動，危害系統安全性。在無水錘防護條件下，水泵機組等工程設備在斷電或其他事故導致的突然停機情況下極容易產生爆管事故[1-3]。本文以膠東調水工程長距離引水隧洞建設為例，深入探討閘前溢流井建設對減緩長距離隧洞水錘現象的應用，為其他區域長距離引水隧洞建設提供參考。

1 隧洞水錘計算模型

假設長距離引水隧洞源頭初始水力壓力為某一恒定值，水在管路中的水頭損失主要為沿程水頭損失，此時可采用管道恒定壓力流動的基本方程對此過程進行計算，根據伯努利能量方程：

恒定流壓情況下沿程阻尼損失按下式計算：

局部水頭損失按下式計算：

式中：z為位置水頭；P 為壓強水頭；hw、hf為水頭損失；hj為局部水頭損失；ζ為水頭損失系數。

對長距離引水隧洞進行水力過渡參數的分析與求解的過程如下：

1）從既定時刻的恒定流開始，通過求解恒定流直接得出此時刻的水力參數，確定起始時刻的狀態邊界條件。2）采用特征線方法，利用已知結點的參數求解進出口以外的任何中間結點任意時刻的流量和水頭，進出口結點可以利用一個特征線方程和邊界約束方程求解，約束方程由基本邊界確定。3）重復求解得到各個結點水力參數，直至輸水系統過渡到恒定狀態。

2 閘門突閉水錘特性分析

根據工程現場實際狀況調查，引水隧洞全長約30km，上游洞口閘門快速關閉所需時間大約為5min，上游水庫水位為20.0m，下游水位為10.0m，該隧洞沿線布置由通氣孔JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4，合理分布在隧洞中間處，每個通氣孔間距為6km。

2.1 無閘前溢流井工況下

圖1為無閘前溢流井條件下測試時間內通氣孔涌浪高度平均值隨時間的變化趨勢。由圖1可知，在無閘前溢流井條件下，突然關閉閘門將會導致室內涌浪高度開始出現震蕩，并在突然關閉的瞬間出現最大涌浪高度值，此時hmax=21.15m。隨著閘門高度的持續下降，隧洞閘門逐漸閉合，此后通氣孔涌浪高度的變化趨勢接近于正弦函數波形，振幅均值A=0.99m，震蕩下限均值hl=19.48m，震蕩上限均值hh＝20.51m，震蕩幅度較大。

圖1無溢流井引水隧道涌浪檢測

2.2 有閘前溢流井工況下

圖2 為有閘前溢流井條件下測試時間內通氣孔涌浪高度平均值隨時間的變化趨勢。由圖2可知，在有閘前溢流井條件下，突然關閉閘門也會導致室內涌浪高度的震蕩，并在突然關閉的瞬間出現最大涌浪高度值。相較于無閘前溢流井工況，此時hmax＝20.10m。而隨著閘門高度的持續下降，隧洞閘門逐漸閉合，此后通氣孔涌浪高度的變化趨勢接近于正弦函數波形，振幅均值A＝0.36m，震蕩下限均值hl＝19.82m，震蕩上限均值hh＝20.18m，震蕩幅度遠小于無閘前溢流井工況。

圖2 有溢流井引水隧道涌浪檢測

分析認為：閘前溢流井能夠對閘門突然閉合時產生的激素水力梯度的增大進行疏導，緩解了長距離引水隧洞內水壓力激增的狀況，從而使得管道內的震動幅度降低，水壓力對管道的脈動荷載作用減小，有效地提高了閘門下降時引水隧洞的安全性。

2.3 引水隧洞內部應力分析

在沿管道每隔1km處預安裝3個壓力傳感器，并通過線路進行實時數據監測，最后對每個點的各個傳感器所得數據進行篩選并求取合理的平均值。圖3為不同工況下沿引水隧道方向管道內壁最大壓力與最小壓力包絡圖。

圖3 不同工況下沿引水隧洞的壓力水頭極值

由圖3可知，不同工況下沿引水隧洞的最大水頭壓力值或最小水頭壓力值與管道長度均成線性關系，即隨著隧洞長度的不斷上升，有、無閘前溢流井情況下壓力極值不斷增長直到水流流出管道。進一步對比不同工況下的壓力極值差異可知，無閘前溢流井條件下隧洞壓力最大值始終大于有溢流井，壓力最小值始終小于有溢流井。在隧洞末尾處，各極值均達到最大，此時，對于無溢流井工況，最大壓力水頭為24.75m，最小壓力水頭為15.36m；對于有溢流井工況，最大壓力水頭為21.73m，最小壓力水頭為18.84m，其極值差遠小于無溢流井條件。由此可見，有溢流井情況下引水隧洞受力更加均勻且荷載更小，其安全性遠高于無溢流井條件。

3 結語

通過對膠東調水工程長距離引水隧洞中有、無溢流井建設的兩種工況的計算模擬可知：閘前溢流井建設對于長距離引水隧洞中出現的水錘現象具有良好的緩沖效果，大幅度降低了水流在隧洞內與管道共振所產生的最大涌浪高程以及內部應力極值分布，降低了管道破壞的可能性，對于保護長距離引水隧洞的長久運營具有重要的意義。