深筒式消能井的沖擊壓力和管口距研究

張晉鋒，王海波，翟靜靜

(1. 湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430064； 2. 長江科學院，湖北 武漢 430070)

筒式消能井適用于小流量、高水頭管口出流消能的情況[1]。侍克斌等通過實驗得出了圓筒式消能井直徑和井內水深計算的半經驗公式[2]。孫秀峰等采用數值模型對筒式消能井內的流態、流速和壓力進行了計算[3]，并得出了筒式消能井管口距合理范圍[4]。侯守敬等，通過模型試驗研究得出隨著消能井深度和直徑的增大，底板時均壓強逐漸減小且分布趨于均勻，脈動壓強頻率峰值越低，越有利于結構穩定，消能效果越好[5]。其他學者通過模型試驗和數值分析方法對筒式消能井的消能機理，結構尺寸等進行了研究[6-10]。高宗昌等通過設計和模型試驗在克拉瑪依林紙一體化項目中應用了筒式消力井[11]。筒式消能在國內應用上并不多見，目前的研究也限制在2 m3/s以內的小流量范圍內，實際工程中管口出流消能采用筒式消能是較為簡便的消能方式。為此本文對筒式消能井進行研究，以期得到較大流量下筒式消能井的設計參數。

鄂北工程單體最長的孟樓～七方倒虹吸總長72.149 km，設計流量為38 m3/s。壓力管道為內徑3.8 m的PCCP，三管同槽鋪設，管道工作壓力為0.4～0.8 MPa。倒虹吸全線設置15處放空系統，其中10處放空系統的消能采用了深筒式消能井。消能井處放空水頭為8～23.5 m，放空流量為6～10.3 m3/s，消能井處放空管道直徑1 m。消能井井深初擬為6.5～10 m，井寬初擬為5.6 m。由于目前筒式消能井的設計資料相對較少，為指導設計，本文進行了消能井的概化物理模型試驗，通過分析和論證，提出了流量、管口距及管口直徑的經驗公式，并確定了筒式消能井的管口距。

1 模型設計與試驗條件

根據消能井的布置、水力條件如水頭、流量等設計了1∶10放空概化物理模型。模型放空管道采用10 cm有機玻璃管，消能井及消力池等采用有機玻璃制作。模型模擬范圍包括部分放空管道、消能井及下游渠道。模型照片見圖1。

圖1 放空系統概化模型

模型流量采用矩形薄壁堰量測，上、下游水位采用水位測針量測，水面線采用鋼尺量測。

張宗孝等通過研究消能井井深變化下的水利特征得出井深與井直徑的比值為1.5時較為合理[3]。本文固定井寬5.6 m，通過物理模型試驗確定不同井深H、管口距△、流量Q下消能井內各個水力學參數的關系，在各個流量下分別擬定了管口距0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 m和5.5 m的試驗條件，共60組試驗工況。

2 沖擊壓力特性

對于垂直射流，消能井底板上的沖擊壓力分布一般成正態分布，在壁射流沖擊區，沖擊壓力大，在旋滾摻混區，沖擊壓力小，以底板對應的管口中心點處(以下簡稱中心點)的沖擊壓力最大，底板沖擊壓力示意見圖2。

圖2 底板沖擊壓力分布圖

試驗數據及經驗公式的推導都是在消能井充滿水的條件下進行的。不同管口距的消能井底板中心點的沖擊壓力見表1。10 m井深時不同管口距的消能井底板中心點的沖擊壓力見圖3。從表1和圖3可以看出，管口距、井深相同時，消能井底板中心點沖擊壓力隨著流量的增大而增大；流量、井深相同時，沖擊壓力隨著管口距的增大而減小。

圖3 井深10 m時底板中心沖擊壓力圖

表1 消能井底板中心點的沖擊壓力(×9.81 kPa)

相同管口距不同井深的消能井底板中心點的沖擊壓力見表1，1.5 m管口距時不同井深的消能井底板中心點沖擊壓力見圖4。由表圖可知，在相同流量和管口距情況下，底板中心點沖擊壓力隨著井深的增大而略有減小，如Q=10.3 m3/s，△=1.5時，井深H分別為6.5、8.5、10 m時，消能井底板最大沖擊壓力為10.13×9.81、9.1×9.81、8.6×9.81 kPa。

圖4 等管口距不同井深沖擊壓力圖

3 沖擊壓力經驗公式

消能井底板最大沖擊壓力Pmax與各物理量的關系式可表示為

Pmax=f(Q,D,Δ,g)

式中：Pmax為消能井底板中心最大沖擊壓力，9.81 kPa；Q為流量，m3/s；D為管徑，m；Δ為管口距，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

圖5 構造函數分析圖

通過量綱分析構造Pmax與自變量之間的關系式

可采用函數關系式

式中a，b，c為常數。

圖6 系數k與管口距擬合曲線

通過分析可得a=0.9415，b=-1.212，c=2。

則可得到Pmax與流量、管口距及管口直徑的經驗關系式

因本工程消能井前放空管道出口直徑徑固定為D=1 m，故此公式可簡化為

4 管口距的確定

從表1和圖3中也可以看出，隨著管口距的增加，井底中心的壓力不Pmax斷減小，在管口距0.5～1.5 m區間，井底中心壓力下降明顯，其后井底中心沖擊壓力隨管口距增加變化趨緩。

從試驗數據可知，在管口距為1.5 m時，井底中心最大沖擊壓力為10.13×9.81 kPa；管口距為2.5 m時，井底中心最大沖擊壓力為9.95×9.81 kPa。井深由1.5～2.5 m時井底沖擊壓力變化不大。

從安全角度出發，管口距越大，井底沖擊壓力越小。但由于鄂北工程放空系統均位于土基上，放空管道本身埋深較深，加大管口距同時需要加深消能井深度，消能井結構亦隨之加大，土質邊坡處理、開挖及回填工程量均要加大。鑒于以上原因，鄂北工程設計推薦井底沖擊壓力適中的管口距為1.5 m，消能井總深度維持在10 m以內。

5 結論和建議

本文通過鄂北工程消能井模型試驗，確定了深筒式消能井底部沖擊壓力與流量、管口距及管口直徑的相關性及經驗公式，確定了鄂北工程推薦的管口距為1.5 m，消能井總深度維持在10 m以內。同時，模型試驗證明，筒式消能井在較大流量情況下底板的沖擊力較大，筒式消能井的適用范圍可適當擴大，具有較為廣闊的工程應用前景。鄂北工程筒式消能井基礎為土基，消能井深度不宜太深，在基礎條件較好的條件下，筒式消能井的管口距可適當加大。