大型輸水工程溢流豎井型式設(shè)計(jì)及過(guò)流能力研究

范遠(yuǎn)東

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

1 概述

遼寧省重點(diǎn)輸水工程為長(zhǎng)距離大型輸水工程，具有大口徑、大流量、多分水口的典型特點(diǎn)。本工程三、四段輸水線路總長(zhǎng)367km，輸水途徑包括PCCP管、鋼管、無(wú)壓隧洞和壓力隧洞等，采用無(wú)壓隧洞——壓力隧洞——單管——多管串聯(lián)運(yùn)行。整個(gè)輸水路徑起伏變化較大，管道管徑DN3200～DN5800，隧洞具有馬蹄形、圓形等多種斷面，且在輸水線路上設(shè)置有5座配水站和2條支線引水管道，整條線路水力系統(tǒng)非常復(fù)雜，根據(jù)水力過(guò)渡分析要求，為了保證輸水系統(tǒng)事故時(shí)穩(wěn)壓安全，將線路輸水運(yùn)行進(jìn)行分段控制，并在輸水路徑上設(shè)有3座穩(wěn)壓溢流井(池)。

其中養(yǎng)馬大屯溢流豎井為1#穩(wěn)壓溢流井，前距無(wú)壓洞3- 3出口13.20km(線路設(shè)置4組檢修閥門)，后距2#穩(wěn)壓溢流池91km(線路設(shè)置3座配水站以及5組檢修閥門)，負(fù)責(zé)約104km的輸水線路水錘防護(hù)，線路布置示意圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 無(wú)壓隧洞3- 3～1#穩(wěn)壓井段線路布置示意圖

根據(jù)工程總體布置，1#穩(wěn)壓豎井在整個(gè)線路中對(duì)系統(tǒng)的水錘防護(hù)起到了至關(guān)重要的作用，設(shè)計(jì)不當(dāng)直接關(guān)系到整個(gè)工程的安全。為了保障工程運(yùn)行安全，試驗(yàn)?zāi)M1#穩(wěn)壓豎井在工程運(yùn)行中的水力學(xué)條件，驗(yàn)證設(shè)計(jì)型式是否合理、可靠，同時(shí)為合理有效解決工程運(yùn)行中可能存在的有關(guān)問(wèn)題提供充分的水力學(xué)依據(jù)。

圖2 1#穩(wěn)壓井～2#穩(wěn)壓池段線路布置示意圖

圖3 1#穩(wěn)壓豎井結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 1#穩(wěn)壓豎井結(jié)構(gòu)剖面圖

2 穩(wěn)壓豎井設(shè)計(jì)型式

1#穩(wěn)壓豎井中心樁號(hào)為C52+667.00m處，位于有壓隧洞3- 7上，距隧洞3- 7進(jìn)口365m，豎井直徑為5.8m，豎井底隧洞中心高程為179.40m，豎井設(shè)計(jì)液面高程208.90m，井口高程為209.50m，最高溢流液面高程為211.0m，設(shè)計(jì)溢流量為41m3/s。

溢流井周圍設(shè)連接池，發(fā)生溢流時(shí)，水通過(guò)連接池接入溢流管道排出。溢流池結(jié)構(gòu)尺寸為23.6m×18.2.0m(寬×高)，池頂高程為212.20m，池底高程為208.00m，溢出水流經(jīng)過(guò)溢流堰進(jìn)入集水井，井底高程202.30m，并通過(guò)DN3600PCCP管接入水庫(kù)庫(kù)區(qū)。

1#穩(wěn)壓豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3、圖4。

圖5 穩(wěn)壓豎井模型測(cè)點(diǎn)布置圖

3 模型比尺及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3.1 模型比尺

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，考慮試驗(yàn)場(chǎng)地條件，本工程模型試驗(yàn)采用正態(tài)恒定流模型，各物理量的比尺如下：

長(zhǎng)度比尺：Lr=10

面積比尺：Ar=Lr2=100

體積比尺：Vr=Lr3=1000

流量比尺：Qr=Lr5/2=316.23

壓強(qiáng)比尺：Pr=Lr=10

3.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

穩(wěn)壓豎井模型共布設(shè)15個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位，其中水位測(cè)點(diǎn)12個(gè)，壓力測(cè)點(diǎn)3個(gè)。12個(gè)水位測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)在連接池底板4個(gè)斷面上(測(cè)點(diǎn)編號(hào)A1、A2、A3、A4、C1、C2、C3)、溢流井壁(測(cè)點(diǎn)編號(hào)B1、B2、B3和B4)，連接池頂板(測(cè)點(diǎn)編號(hào)F)；3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)在溢流管上(測(cè)點(diǎn)編號(hào)D、E、G)。見(jiàn)圖5。

4 模型試驗(yàn)分析

4.1 穩(wěn)壓豎井水位～流量關(guān)系分析

根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，本工程設(shè)計(jì)流量41.0m3/s，最高溢流水位210.60m，距溢流池蓋板最小距離1.40m，溢流井水流呈紊流型態(tài)，穩(wěn)壓豎井水位～流量管線曲線見(jiàn)圖6。

圖6 穩(wěn)壓豎井水位～流量關(guān)系曲線

在流量2.0～45.0m3/s區(qū)間，豎井水位～流量關(guān)系呈線性遞增趨勢(shì)，即隨著流量的增大，溢流水位不斷增高，同時(shí)蓋板設(shè)計(jì)高程滿足溢流井水位要求。

4.2 豎井連接池水位～流量關(guān)系分析

穩(wěn)壓豎井周圍連接池底板(圖5斷面1- 1～斷面3- 3)高程為208.0m，溢流管附近底板(斷面4- 4)高程為202.30m，兩高程間用斜式底板連接。工程設(shè)計(jì)流量41.0m3/s時(shí)，斷面1- 1～4- 4及距蓋板距離詳見(jiàn)表1及圖7。

表1 設(shè)計(jì)流量時(shí)豎井連接池?cái)嗝?- 1～4- 4水位表

圖7 設(shè)計(jì)流量時(shí)豎井連接池?cái)嗝?- 1～4- 4水面線

在流量2.0～45.0m3/s區(qū)間，豎井連接池水位～流量關(guān)系呈線性遞增趨勢(shì)，同一流量下，斷面1- 1水位較高，主要因?yàn)榇嬖谯账F(xiàn)象。工程設(shè)計(jì)流量時(shí)，同時(shí)蓋板設(shè)計(jì)高程滿足溢流井水位要求。

4.3 壓強(qiáng)分析

在溢流管上布設(shè)3個(gè)壓強(qiáng)觀測(cè)點(diǎn)位(測(cè)點(diǎn)編號(hào)：D、E和G)，其中D點(diǎn)位于溢流管正下方，與中心線垂直，距連接池壁700mm(原型7.0m)；E點(diǎn)位于溢流管正下方，與中心線垂直，距連接池壁70mm(原型0.70m)；G點(diǎn)位于溢流管側(cè)下方，與中心線垂直，距連接池壁長(zhǎng)度、溢流管底高度均為70mm(原型0.70m)。

(1)D點(diǎn)壓強(qiáng)曲線

在流量2.0～45.0m3/s區(qū)間，D點(diǎn)壓強(qiáng)值隨著流量的增加呈線性遞增趨勢(shì)見(jiàn)圖8。2.0～6.0m3/s為負(fù)壓區(qū)，壓強(qiáng)值為-0.21～-0.05m水柱，8.0～45.0m3/s為正壓區(qū)，壓強(qiáng)值為0.04～1.23m水柱；當(dāng)流量達(dá)到45.0m3/s時(shí)壓強(qiáng)最大，為1.23m水柱；工程設(shè)計(jì)流量41.0m3/s時(shí)，壓強(qiáng)為1.11m水柱。

圖8 D點(diǎn)壓強(qiáng)曲線圖

(2)E點(diǎn)壓強(qiáng)曲線

在流量(2.0～45.0)m3/s區(qū)間，E點(diǎn)壓強(qiáng)值隨著流量的增加呈線性遞增趨勢(shì)見(jiàn)圖9，壓強(qiáng)范圍在(0.51～1.67)m水柱區(qū)間，當(dāng)流量達(dá)到45.0m3/s時(shí)壓強(qiáng)最大，為1.67m水柱；工程設(shè)計(jì)流量41.0m3/s時(shí)，壓強(qiáng)為1.61m水柱。

圖9 E點(diǎn)壓強(qiáng)曲線圖

(3)G點(diǎn)壓強(qiáng)曲線

在流量2.0～16.0m3/s區(qū)間，由于水位較低，未達(dá)到G點(diǎn)；在18.0～45.0m3/s區(qū)間，壓強(qiáng)值隨著流量的增加，大體呈線性遞增趨勢(shì)，見(jiàn)圖10。壓強(qiáng)值在0.09～0.24m水柱區(qū)間，當(dāng)流量達(dá)到45.0m3/s時(shí)，壓強(qiáng)為0.24m水柱；工程設(shè)計(jì)流量41.0m3/s時(shí)，壓強(qiáng)為0.20m水柱。

圖10 G點(diǎn)壓強(qiáng)曲線圖

4.4 其他水力現(xiàn)象分析

(1)氣阻、氣穴現(xiàn)象

在流量2.0～45.0m3/s區(qū)間，在試驗(yàn)溢流管段內(nèi)未產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象，設(shè)計(jì)流量時(shí)，未出現(xiàn)明滿流交替情況。

在流量2.0～4.0m3/s區(qū)間，在溢流管進(jìn)水口附近未產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，6～45m3/s區(qū)間，在溢流管進(jìn)水口附近均產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。見(jiàn)圖11。

圖11 氣穴現(xiàn)象試驗(yàn)照片

(2)水躍、摻氣現(xiàn)象

在流量2.0～45.0m3/s區(qū)間，在連接池與溢流管連接處均未產(chǎn)生水躍現(xiàn)象。

在流量2.0～10.0m3/s區(qū)間，溢流管內(nèi)未有摻氣現(xiàn)象產(chǎn)生。12.0m3/s時(shí)，溢流管進(jìn)口開(kāi)始有少量摻氣，隨著流量的增大，摻氣愈加嚴(yán)重見(jiàn)圖12。

圖12 摻氣現(xiàn)象試驗(yàn)照片

5 結(jié)論及建議

(1)在流量2.0～45.0m3/s區(qū)間，豎井及連接池水位～流量關(guān)系呈線性遞增趨勢(shì)，隨著流量的增大，溢流的水位不斷增高，同時(shí)蓋板設(shè)計(jì)高程滿足溢流井水位要求。

(2)小流量2.0～6.0m3/s時(shí)，D測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)壓，同時(shí)該區(qū)域存在局部氣穴和摻氣現(xiàn)象。實(shí)際設(shè)計(jì)優(yōu)化后，在連接池與溢流管交接處增加了2×DN200通氣管后，不利水力現(xiàn)象消失。

(3)通過(guò)水力模型試驗(yàn)后，實(shí)際優(yōu)化后的穩(wěn)壓豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、可行，滿足本工程需求，也為后期運(yùn)行提供了有力的水力學(xué)依據(jù)和保障，同時(shí)對(duì)其他類似工程提供有益的參考價(jià)值。