水庫倒虹吸管結構穩定及過流能力復核

孔凡盛

(橫峰縣水利局,江西 上饒 334300)

1 問題的提出

近年來,倒虹吸水工建筑物在國內水庫等水利工程中的應用日益廣泛,學術界對倒虹吸結構優化設計及安全運行的研究也逐漸增多。但是,倒虹吸管進水口前部來水流量控制問題卻始終未能得到較好解決,因來水流量過小而引發的水躍、水面波動、水流紊動等問題普遍存在,十分不利于倒虹吸管穩定運行。文章以橫峰縣黃源水庫排水倒虹吸管為例,對以上問題展開試驗研究及結構穩定、過流能力復核。

橫峰縣黃源水庫位于信江岑港河支流的鋪水上游,是一座以灌溉為主兼顧發電等綜合效益的中型水利工程。壩址控制流域面積16.1km2,水庫總庫容1098.4×104m3,設計灌溉面積1000hm2,電站裝機容量320kW。該水庫倒虹吸管興建于1965年,1968年初具規模,運行至今已逾50a,超出了《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》規定的合理運行年限。再加上該水工建筑物設計標準低、施工質量差,經過長期帶病運行,整體功能下降,安全隱患突出。為此,必須展開該水庫倒虹吸管結構安全復核及穩定計算,在掌握倒虹吸管運行狀況的基礎上,為除險加固設計提供依據。

2 試驗設計

按照1∶30的正態比尺構建該水庫倒虹吸管模型,平面結構見圖1。倒虹吸管進水口前端為2.3m長、頂寬0.8m、底寬0.4m的倒梯形明渠,0.32m長的過渡段通過斜坡與河道相連;斜坡和倒梯形明渠均為混凝土結構;倒虹吸管段設計長度為3.5m,并設置0.1m×0.1m的方形雙孔,通過無色有機玻璃制成;倒虹吸管出水口和排水渠相連。

圖1 倒虹吸管模型平面結構

流速通過UVP設備及單探頭8MHz的采樣頻率測量,來水流量則通過三角堰控制;在倒梯形明渠前端安裝穩水裝置;為控制下游水深,在倒虹吸管出水口設置尾門;沿程水位通過水位測針測量。倒虹吸管進水口過渡段測量斷面中,邊坡坡比和斜坡坡比分別為1∶2和1∶5.92,在過渡段中共設置10個監測斷面,依次編號為CS1～CS10,各斷面均按照相等間隔設置在弧形收縮段。通過UVP信號采集端由下向上設定測點,直至水面。為避免倒虹吸管在不同來水流量下不滿管,應將其進水口處CS10斷面淹沒水深設定為0m。為簡化表述,將相關參數設定進空間中直角坐標系中,其中交界線中點為坐標原點,順水流向為x軸,與渠道底部垂直且豎直向上為y軸,與水流向垂直為z軸。

3 試驗結果

按照設計標準提出Q=0.003m3/s和Q=0.007m3/s兩種試驗工況,分別表示小流量和大流量,并通過改變上游來水流量,對過渡段內測量斷面垂向流速展開實測,得到各斷面水流橫向分布特征,探求來水流量對倒虹吸管過流能力的影響程度。

根據對不同來水流量下過渡段內水流流態的模擬得出,倒虹吸管進水口前端水流存在不同程度的翻滾及氣泡,造成這種現象的原因主要在于水流從急流向緩流過渡時引發水躍,進而改變水流流態[1]。此后隨著來水流量的持續增大,水流持續移至斜坡面,因水躍而引發的水流翻滾現象得到一定程度改善。

3.1 過渡段內水面橫向變化

不同來水流量下過渡段各斷面水面橫向變動趨勢見圖2,渠道中線用z=0cm表示,渠道左邊壁和右邊壁分別用z=10cm和z=-10cm表示。

(a)Q=0.003m3/s的小流量

由圖可知,不同來水量下大部分斷面右邊壁水面比左邊壁水面高;在Q=0.003m3/s的小流量下,斷面水面線沿橫向大幅度變化,尤其是CS03～CS06斷面水流擾動現象十分明顯,且水面線分布不對稱;而CS07～CS10斷面水流擾動小,水面線基本呈對稱分布。水流沿斜坡段流動過程中勢能持續向動能轉化,動能的增大致使流經收縮斷面的躍后水流能量持續耗減,由此原因造成各斷面水流不同分布特征[2]。在Q=0.007m3/s的大流量下,全部斷面水面線均沿橫向小幅變化,說明過渡段內水面整體平緩波動,水流擾動減弱,水面線不對稱分布情況也得到改善。造成這種現象的原因在于斜坡段坡度變化下,過渡段內水流會隨上游來水量的持續增大而淹沒一定長度的斜坡段,臨界水躍也進而轉變為淹沒水躍,進水口前部水躍明顯減緩,斜坡段所流經的水流動能減小,水流紊動程度持續減弱。

3.2 過渡段內水面沿程變化

依次在z=0cm、z=±4cm、z=±8cm等處進行過渡段內實際水深的量測,根據量測結果反映水面沿程變化趨勢。斜坡段水面下跌急劇,且經過x=0cm的位置后水面線由高降低,說明來水流量不同的情況下,斜坡段和過渡段銜接部位存在明顯的水躍。而在x=8cm的位置,Q=0.007m3/s的大流量下水面線最高點降低,意味著大流量下水躍高度降低;較大的來水流量還會使水躍收縮斷面(即水面線最低點)沿x軸偏移,說明臨界水躍逐漸轉變為淹沒水躍,過渡段水流紊動顯著改善。

通過以上分析表明,當過渡段較短時,強烈的水流紊動無法得到緩沖,紊動態勢會一致延續至倒虹吸管進水口處,帶動大量摻氣水流進倒虹吸管,并使管內有效過水面積減小,無法達到倒虹吸管設計過流要求[3]。當來水流量較大時,水躍收縮斷面位置偏向x軸負半軸,對于過渡段內水路紊動存在明顯改善,表明這種水躍收縮斷面位置的移動是有利的。斜坡段坡比減小也會使水躍收縮斷面向坡面移動,進一步削弱過渡段內水流紊動。綜上,應當延長原河道與倒虹吸管進水口過渡段連接的斜坡段長度,并適當減緩其坡度,對過渡段內水流紊動起到抑制作用,保證倒虹吸管輸水效率。

3.3 過渡段內垂向流速變化

根據對Q=0.003m3/s和Q=0.007m3/s兩種來水流量下過渡段內垂向流速變化趨勢的分析,CS01～CS07斷面位于曲率較小的弧形收縮過渡段,而CS08～CS10斷面則位于曲率較大的平順過渡段。不同來水流量下越靠近邊壁的流速越大,各斷面流速沿斷面橫向的變化并不對稱,右邊壁流速比左邊壁流速略大。

在Q=0.003m3/s的小流量下,以CS01為弧形收縮過渡段典型斷面,流速以較大跨度橫向分布于斷面,主要原因在于突然收縮斷面上水流經過時會因流速的加大引發二次流,水面以下出現最大垂向流速;以CS09為平順過渡段典型斷面,流速分布較為均勻,也不存在二次流,最大垂向流速也從水面以下移動至水面。

在Q=0.007m3/s的大流量下,仍以CS01為弧形收縮過渡段典型斷面,隨著來水流量的增大,水躍點移向斜坡段,流速分布并不對稱,并在較大來水流量下水深持續增大,收縮段長度減短,二次流也相應減弱;以CS09為平順過渡段典型斷面,僅少數位置流速較大,大部分位置流速均勻。

以上分析驗證了倒虹吸管過渡段內水流流速分布受邊壁結構的影響程度,臨近邊壁的水流紊動強度明顯大于中線處水流紊動強度;垂向流速分布的不對稱性使進水口處摻氣水量增大,在減弱管內過流能力的同時,還會引發雙孔道水壓失衡,不利于倒虹吸管平衡輸水。為此,必須加強水庫倒虹吸管上游斜坡段縱坡控制。

4 倒虹吸管工程性能復核

在對水庫倒虹吸管進水口過渡段流速分布展開試驗的基礎上,還必須進行倒虹吸管管身結構復核計算以及過流能力復核,以驗證試驗結果的準確性和可靠性。

4.1 管身結構復核

該水庫倒虹吸管橫向為封閉圓環形結構,管身為厚壁管,內外均承受均勻水壓力作用時按照彈性力學平面問題處理,而受到荷載所引發內力等作用時則按照彈性中心法求解[4]。

該水庫倒虹吸管為C25鋼筋混凝土結構,橫向鋼筋為HRB335,按照20%的鋼筋截面損失率考慮,配筋面積為606mm2。根據對鋼筋面積不折減計算成果的對比看出,倒虹吸管橫向結構強度復核結果符合現行規范。而引該水庫建造年代久遠,設計及施工條件較差,建設標準低,年久失修,混凝土裂縫、剝落、鋼筋銹蝕、漏水、骨料外露等病害較為嚴重,筆者建議,將受力鋼筋截面折減20%后再次進行復核計算,這種情況下管身橫向結構強度不滿足現行規范。

水庫倒虹吸管水平段長40m,因跨路而架空設計,其正常運行過程中主要承受結構自重、水重等荷載,且無均布活載。計算繪制正常運行工況下彎矩包絡圖以及空管工況下彎矩包絡圖,倒虹吸管正常運行和空管運行時負彎矩最大為558.397kN·m和414.998kN·m。倒虹吸管為C25鋼筋混凝土結構,縱向鋼筋同樣為HRB335,按照20%的鋼筋截面損失率計算得實配面積為1126mm2。根據具體的計算分析,受力鋼筋面積不折減時,倒虹吸管縱向強度符合現行規范;而在受力鋼筋面積折減20%后,縱向強度不符合規范。考慮到該水庫倒虹吸管建設時間較早,病害嚴重,鋼筋面積折減20%更符合實際運行情況,故倒虹吸管管身縱向強度達不到規范要求。

4.2 過流能力復核

按照《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》,該水庫倒虹吸管設計使用年限為50a,運行至今已逾50a。倒虹吸管槽身水流及管內水流均表現為壓力管流流態,故按照壓力管道公式計算過水能力:

(1)

z=hf+hj=(ξf+∑ξj)v2/2g

(2)

(3)

式中:Q為水庫倒虹吸管流量設計值;μ為流量系數,為無因次量,取值大小與管內沿程摩擦損失和局部阻力損失有關;ω為倒虹吸管過水斷面面積;z為總水頭損失;hf為沿程水頭損失;fj為局部水頭損失;ξf為沿程阻力系數;∑ξj為局部阻力系數;v為倒虹吸管內流速均值。

在已知倒虹吸管軸線長、水頭損失、斷面尺寸等參數值的基礎上,進行過水能力驗算;并根據相關參數展開其過流能力復核,結果見表1。根據表中復核成果,倒虹吸管過流能力最大值取2.78m3/s,超出2.5m3/s的設計流量,意味著該水庫現狀倒虹吸管完全能按設計流量輸水。

表1 倒虹吸管過流能力復核結果

5 結 論

綜上所述,在兩種來水流量下黃源水庫倒虹吸管過渡段內水面線表現出橫向左低右高的趨勢規律;斜坡段縱坡既定情況下,水躍隨上游來水量增大而持續減緩,水流紊動也明顯減弱。過渡段內臨近渠道邊壁的水流流速明顯大于臨近渠道中線的水流流速,而垂向流速隨著弧形收縮段曲率的減小而更加均勻。在此基礎上,對黃源水庫老舊倒虹吸管在基本組合和偶爾組合工況下管身橫縱向結構穩定性及過流能力展開復核計算。在受力鋼筋面積不折減的情況下,倒虹吸管橫縱向結構強度均達到規范要求;將受力鋼筋面積折減20%后,橫縱向強度均達不到現行規范要求。目前,黃源水庫倒虹吸管雖能按照設計流量輸水,但是考慮到水工建筑物長期功能的穩定發揮,必須盡快對其實施維修加固;在加固設計時,應減小縱坡斜坡段、增大過渡段長度,以保證水流在進水口前部即達到均勻分布狀態,防止因水流紊動而減弱倒虹吸管過流能力。