無壓輸水隧洞出口連接井摻氣與漩渦水力現(xiàn)象物理模型試驗研究

王志坤

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 研究必要性

受自然環(huán)境和區(qū)域間社會經(jīng)濟發(fā)展水平的影響，我國水資源分布與社會經(jīng)濟發(fā)展不相適應(yīng)，改革開放以來，為了解決水資源供需矛盾，我國建設(shè)了許多輸配水工程。連接井是輸配水工程中重要的構(gòu)筑物，尤其是長距離輸水工程中，由于地形和地質(zhì)條件與輸水管道設(shè)計高程、管線路徑不相匹配，需要設(shè)置連接井，連接井主要用于水流的連接、轉(zhuǎn)向以及管道系統(tǒng)的通風(fēng)排氣，而水體摻氣、漩渦等水力現(xiàn)象容易使輸水管道產(chǎn)生負(fù)壓和氣阻效應(yīng)，不但降低輸水效率，而且對構(gòu)筑物將會產(chǎn)生安全隱患。

水力現(xiàn)象具有多樣性和復(fù)雜性，目前，國內(nèi)外均尚無法實現(xiàn)采用理論計算或數(shù)值模擬很好地解決復(fù)雜水流問題，特別是水體摻氣、漩渦等水力現(xiàn)象更無成熟的理論及經(jīng)驗，許多重大輸水工程均需通過物理模擬工程運行中的水力條件，驗證設(shè)計的合理性、可靠性和科學(xué)性。本試驗通過搭建連接井A物理模型，模擬原型水力條件，觀測供水流量變化時，連接井及連接后側(cè)輸水管道水水體摻氣、漩渦等水力現(xiàn)象，對于解決和減輕輸水配水系統(tǒng)中管道產(chǎn)生負(fù)壓和氣阻效應(yīng)，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。

2 連接井設(shè)計參數(shù)

連接井A位于無壓隧洞B出口，是輸水工程關(guān)鍵性連接構(gòu)筑物，主要用于連接無壓輸水隧洞B和下游輸水管道，水流先通過隧洞進入連接井，連接井將水流方向調(diào)整為170.45°后，再進入輸水管道，隧洞底高程與輸水管底高程相差14m。隧洞B為呈半圓形，洞徑為6.0m，設(shè)計最大流量為35.0m3/s，最小流量5.0m3/s。連接井為不規(guī)則體型，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜃髠?cè)邊長19m，右側(cè)邊長18m，井底至頂部蓋板距離21m，連接井底部與1根鋼制管道相接，鋼管直徑0.5m，如圖1所示。

圖1 連接井A結(jié)構(gòu)圖

3 試驗方案

為了使模型與原型的物理量和物理現(xiàn)象保持相似，選取原型隧洞B長度300m、連接井A整體及輸水管長500m進行模擬。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，考慮試驗場地條件，采用正態(tài)恒定流模型，長度比尺Lr=10，面積比尺Ar=100，體積比尺Vr=1000，流量比尺Qr=316.23。根據(jù)SL/T155—2012《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》，模型材料可選用木材、水泥、有機玻璃、塑料和金屬材料。為了便于觀察水流流態(tài)，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和強度要求，本試驗?zāi)Ｐ驼w采用無色透明有機玻璃制作。

試驗?zāi)Ｐ透叱叹瓤刂圃凇?.2mm，平面距離精度為±2mm，模型安裝采用在水準(zhǔn)儀控制，基點精度控制在±0.3mm。在原型流量4.04～33.0m3/s區(qū)間共設(shè)置15個試驗組次，按原型流量每增加2.0m3/s為1個組次，起調(diào)水位為126.63m，工作水位為126.88、127.88、132.36、135.92m。試驗組次見表1。

4 試驗成果分析

試驗表明，自起調(diào)水位126.63m至連接井中水

體流動平穩(wěn)，流態(tài)趨于層流的過程中，連接井中水體會出現(xiàn)摻氣和漩渦現(xiàn)象。其中，水體摻氣分為2個階段，第1個階段主要是由于開始起調(diào)時，連接井內(nèi)水位偏低，水流從高處流入井中，部分勢能轉(zhuǎn)換成動能，沖擊井中水體和連接井邊墻、梁柱所致。第2個階段主要是由于隨著井中水位的升高，進水口水位與井中水面齊平，在連接井前側(cè)邊壁附近產(chǎn)生漩渦，漩渦導(dǎo)致水體再次摻氣。但當(dāng)流量大于26.0m3/s時，由于進入井內(nèi)的水流流速較大，受流速的影響，會提前在連接井前側(cè)邊壁附近產(chǎn)生漩渦，此時水體的摻氣是由于上述2個階段摻氣原因共同作用所致。鑒于此，為了明確連接井中水體摻氣、漩渦現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展過程，分別研究不同流量下，漩渦開始出現(xiàn)對應(yīng)的水位與流量之間的關(guān)系和摻氣、漩渦徹底消失對應(yīng)水位與流量之間的關(guān)系。考慮試驗過程中，不可避免的會產(chǎn)生系統(tǒng)與人為誤差，因此對試驗觀測結(jié)果進行線性擬合，見表2、如圖2所示。

擬合曲線1是針對連接井中漩渦出現(xiàn)對應(yīng)水位和供水流量之間關(guān)系的擬合，可以看出：當(dāng)流量在4.04～24.0m3/s區(qū)間，隨著供水流量的增加，漩渦出現(xiàn)對應(yīng)的水位也隨之升高。當(dāng)流量大于26.0m3/s時，由于流入井內(nèi)的水流流速過大，導(dǎo)致井內(nèi)漩渦提前出現(xiàn)，此時漩渦出現(xiàn)所對應(yīng)的水位較小流量情況明顯降低，大流量情況下，擬合曲線1的斜率趨近于0，漩渦出現(xiàn)對應(yīng)水位基本保持在130.82m左右。擬合曲線2是針對連接井水體摻氣、漩渦消失對應(yīng)水位與供水流量之間關(guān)系的擬合，可以看出：漩渦、摻氣現(xiàn)象消失時對應(yīng)水位與流量之間呈明顯的線性關(guān)系，供水流量越大，消除井內(nèi)產(chǎn)生的漩渦、摻氣等不利現(xiàn)象所要求達到的水位越高?？傊?dāng)連接井內(nèi)水位在擬合曲線2和設(shè)計液面標(biāo)高之間運行時，可以連接井中不出現(xiàn)水體摻氣、漩渦現(xiàn)象。

表1 模型試驗組次劃分

表2 連接井漩渦、摻氣對應(yīng)水位流量關(guān)系統(tǒng)計表

圖2 連接井摻氣與漩渦現(xiàn)象與流量關(guān)系曲線

5 結(jié)語

(1)連接井左前和右前側(cè)邊壁附近易出現(xiàn)漩渦。流量在6.0～33.0m3/s區(qū)間，隨著連接井內(nèi)水位的不斷上升，在連接井左前側(cè)邊壁附近會產(chǎn)生漩渦，漩渦的大小及運動范圍隨流量的增加而擴大，當(dāng)流量大于26.0m3/s，連接井右前側(cè)邊壁附近同樣會產(chǎn)生漩渦，右側(cè)旋渦規(guī)模相比左側(cè)旋渦略小，漩渦均可通過抬高井中水位的方式消除。

(2)連接井內(nèi)漩渦可致周圍水體摻氣，產(chǎn)生的氣體可進入輸水管道。流量在11.50～33.0m3/s區(qū)間，由漩渦產(chǎn)生的部分氣體可進入輸水管道中，管道內(nèi)水體局部摻氣，流量越大，漩渦產(chǎn)生的氣體越多，進入管道的氣體也越多，摻氣范圍也越大。

(3)供水流量較大時，在連接井內(nèi)液面上升過程中，輸水管道容易產(chǎn)生氣阻。流量在16.0～33.0m3/s區(qū)間，自連接井中水位從起調(diào)水位開始不斷上升的過程中，會產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象，當(dāng)流量大于20.0m3/s時，氣阻現(xiàn)象更為嚴(yán)重，氣阻現(xiàn)象可隨井內(nèi)水位的升高逐漸減弱、消失。

(4)當(dāng)供水流量小于24.0m3/s時，連接井中漩渦開始出現(xiàn)對應(yīng)的水位與流量之間具有明顯的正相關(guān)性，流量越大，漩渦出現(xiàn)時的對應(yīng)水位越高；當(dāng)流量大于26.0m3/s時，漩渦出現(xiàn)對應(yīng)水位基本保持在130.82m左右。井內(nèi)摻氣、漩渦徹底消失對應(yīng)水位與流量之間具有正相關(guān)性，供水流量越大，摻氣、漩渦徹底消失對應(yīng)的水位越高。

(5)正常工作水位126.88、127.88、132.36m不在安全運行水位范圍，連接井水體易產(chǎn)生摻氣和漩渦，長期運行較為不利；正常工作水位135.92m不會導(dǎo)致連接井及后側(cè)輸水管道出現(xiàn)水體摻氣和漩渦現(xiàn)象。