郭 鋒，魏 冰

(1.遼寧省水利水電勘測設計研究院,遼寧 沈陽 110006;2.遼寧省水利工程技術審核與造價管理中心,遼寧 沈陽 110006)

1 工程概況

LXB供水二期工程可將LXB供水工程調(diào)入水量，輸送給LXB重要城市、縣城、工業(yè)園區(qū)等用戶，促進水庫、河湖水系連通，同時提供農(nóng)村人飲和高效農(nóng)業(yè)用水，并具備向周邊地區(qū)供水的條件。錦州輸水隧洞是LXB供水二期工程白石段隧洞的一部分，主要解決錦州市、二十家子工業(yè)園區(qū)及葫蘆島市城市生活、生產(chǎn)用水問題。

輸水隧洞最大輸水規(guī)模15.39m3/s，隧洞起點由輸水主線壓力隧洞洞末端取水豎井接引，終點位于小凌河左岸灘地上，隧洞全長35.06km，采用無壓輸水方式，隧洞斷面型式為圓拱直墻型，斷面尺寸為4.6m×5.25m(寬×高)，隧洞全部采用鉆爆法施工，隧洞起點底板高程100.0m，出口底板高程97.0m，洞底縱坡0.086‰，洞內(nèi)水深3.95m，凈空高度1.30m，凈空率20.1%。

2 進口控制段工程布置

壓力隧洞洞末端取水豎井底高程74.0m，頂高程300.0m(地面)，豎井深226.0m，取水豎井在100.0m高程為錦州輸水隧洞進口控制段，取水豎井內(nèi)水位在103.95～123.43m間變動，為控制流量以及保證隧洞為無壓流，實現(xiàn)有壓流到無壓流的平順連接，進口控制段依次為進水洞、出口弧門控制段、消力池、穩(wěn)流池。進口控制段總體布置見圖1。

進水洞總長43.0m，4.0m×6.0m(寬×高)，進水洞進口段設喇叭口，16m處設事故檢修閘門，上設事故檢修閘門啟閉機室，進水洞出口段設8.0m壓坡段，出口處設弧形工作閘門，上設工作閘門啟閉機室，出口弧門控制段長16.0m，寬4.0m；消力池長20.0m，深2.0m，消力池底板高程98.00m，前端寬4.0m，末端寬10.0m；穩(wěn)流池長10.0m，寬10.0m，穩(wěn)流池內(nèi)設穩(wěn)流堰保證下游隧洞為無壓流，利用穩(wěn)流堰與穩(wěn)流池內(nèi)水位的流量關系，通過控制穩(wěn)流池水位實現(xiàn)過堰流量控制，以此達到在任何工況下都能保證輸水線路按要求輸水流量運行，穩(wěn)流堰采用薄壁堰堰型，底高程100.00m，堰頂高程103.228m，堰長10.0m。

3 水工模型試驗目的及內(nèi)容

錦州輸水隧洞進口控制段建筑物整體布置相對復雜、運行工況多、且已建成的類似工程很少，因此需要通過水工模型試驗進行研究，以便驗證各水力要素設計計算值，解決進口控制段總體布置、消能設施、穩(wěn)流設施等相關技術問題，確保工程的運行安全。

3.1 試驗目的

(1)通過模型試驗研究，驗證各水力要素設計計算值的正確性。

圖1 進口控制段布置圖

(2)通過模型試驗研究，解決進口控制段總體布置、消能設施、穩(wěn)流設施等相關技術問題，進一步完善和確認方案，提出優(yōu)化方案，確保工程的運行安全。

(3)根據(jù)不同的進口引水水位，推薦出合理的進口建筑物消能布置型式及尺寸。

(4)通過模型試驗研究，調(diào)整參數(shù)，觀察流態(tài)情況，使消能建筑物滿足引水時穩(wěn)定洞內(nèi)無壓流的要求，并應盡量減小小流量引水對洞內(nèi)的危害性。

3.2 試驗內(nèi)容

(1)根據(jù)設計提供的進口布置，推薦出合理的進口消能建筑物結構型式及尺寸，通過試驗，調(diào)整設計參數(shù)，得到最佳水流狀態(tài)。

(2)消能設施應滿足不同頻率水位下，各種引水流量的要求，確定滿足不同調(diào)水規(guī)模的閘門開度、流態(tài)、流速、水面線，觀察進口及洞內(nèi)水面波動情況。

(3)當小流量引水及設計流量引水達到穩(wěn)定流量時，給出洞內(nèi)水深、流速及水流流態(tài)等水面曲線情況，給出最佳建議方案。

(4)對進水口漩渦情況進行觀測。

4 模型的設計與制造

4.1 相似準則與模型比尺

模型采用正態(tài)模型設計，遵照重力相似準則，長度比尺為λl=10，按重力相似條件下的水力參數(shù)的換算關系以及對應的相似比尺見表1。

表1 重力相似條件下的各水力參數(shù)相似比尺

4.2 模型材料、制造與安裝

為保證模型試驗可以反映原型的水流的真實狀況，在水工模型材料選擇時首先要考慮的就是模型材料的糙率情況。雖然無需使模型材料的糙率完全滿足相似的條件，但差異也不能過大，如果差異太大會直接影響試驗結果的精密度。依據(jù)重力相似要求，原型建筑物(鋼筋混凝土)的糙率np=0.014，按換算關系計算相似比尺，模型建筑物的糙率nm應為0.0095左右較為合適。根據(jù)以往試驗的實測數(shù)據(jù)，有機玻璃的糙率一般在0.007至0.008之間，略小于計算的0.0095，因此，模型建筑物材料采用有機玻璃，能夠滿足試驗要求。

模型的安裝要求：布置平面導線時應根據(jù)模型的具體形狀和范圍來確定，采用經(jīng)緯儀對導線的方位進行控制，允許的偏差范圍為±0.1°；采用水準儀對模型高程進行控制，需滿足精度控制的具體要求。

模型的精度控制要求：模型水準基點和測針零點允許的誤差范圍為±0.3mm；模型高程允許的誤差范圍為±0.3mm；模型地形高程允許差的范圍為±2mm，平面距離允許誤差的范圍為±10mm。

安裝完成的整體水工模型見圖2。

圖2 安裝完成的整體水工模型圖

4.3 試驗測試手段及測試儀器

(1)供水系統(tǒng)設施

水工模型試驗供水系統(tǒng)由蓄水設施(蓄水池)，動力機械泵，調(diào)節(jié)水塔，配水管以及回水槽等設施組成。

(2)試驗量測儀器

恒定流水位采用水位測針及水位跟蹤儀進行測定；恒定流時均壓力采用智能監(jiān)測系統(tǒng)、多功能監(jiān)測系統(tǒng)及壓力傳感器進行測定；水流流速采用便攜式流速儀進行測量；恒定流流量采用矩形量水堰進行測量。

5 模型試驗研究

5.1 試驗工況及綜合流量系數(shù)計算結果

按照低水位閘門全開及高水位閘門局開共設計九種工況進行模型試驗研究，各工況基本數(shù)據(jù)及綜合流量系數(shù)計算結果見表2。

5.2 工況九模型試驗結果

從上表可以看出，取水豎井內(nèi)水位高時，閘門開度小，上下游水頭差大，因此，工況九應為最不利工況。

(1)水流流態(tài)

工況九弧形閘門處水流流態(tài)、消力池內(nèi)水流流態(tài)、消力池出口水流流態(tài)見圖3～圖5。

表2 各試驗工況綜合流量系數(shù)計算結果

圖3 弧形閘門處水流流態(tài)

圖5 消力池出口水流流態(tài)

圖7 水面線分布圖

(2)壓力分布

模型沿程共設置了33個壓強測點(有壓段設置21個測點，無壓段設置12個測點)，工況九下各壓強測點實測水頭值見表3，底板測點分布情況見圖6。

表3 工況九各測點壓強水頭值

(3)水面線分布

工況九水面線分布情況見圖7。

5.3 分析閘門局開時各個工況的流量系數(shù)與開度e的關系

根據(jù)流量系數(shù)的計算結果，以閘門開度e為橫坐標，以綜合流量系數(shù)為縱坐標繪制閘門開度與綜合流量系數(shù)關系曲線，如圖8所示。

圖8 閘門開度與綜合流量系數(shù)關系曲線

圖9 閘門局開時的水位與綜合流量系數(shù)關系曲線(下游控制水位103.95m)

5.4 分析閘門局開時各個工況的流量系數(shù)與水位的關系

根據(jù)下游控制水位為103.95m時的綜合流量系數(shù)計算結果，以閘門局開時的水位為橫坐標，以綜合流量系數(shù)為縱坐標水位與綜合流量系數(shù)關系曲線，如圖9所示。

6 結論

(1)實測壓力表明，各工況下，無壓隧洞進口控制段沿程各壓力測點沒有負值出現(xiàn)，由壓力分布圖能夠反映出壓力分布符合壓力特性。由試驗實測數(shù)據(jù)可知，各工況下流速分布規(guī)律相同，與Fr數(shù)的分布規(guī)律相似。

(2)閘門局開時，實測取水豎井內(nèi)7個水位分別為：106.03m、108.01m、110.24m、112.52m、115.21m、122.27m和123.43m，其對應的消能率分別為：33.33%、50.98%、61.66%、68.89%、74.46%、82.81%和83.37%。從消能率可以看出，消力池的消能效果很好。

(3)所有工況下取水豎井內(nèi)水面波動很小，沒有漩渦現(xiàn)象出現(xiàn)。水流從明流到滿流狀態(tài)能夠平穩(wěn)過渡，取水豎井內(nèi)水深變化最高不大于0.1m，且水面非常平穩(wěn)，不會危害控制段進水口的安全運行。

(4)所有工況下，控制閘門處全部為淹沒出流，淹沒度隨著豎井內(nèi)水位上升而上升，隨著閘門開度的減小而減小。

(5)消力池內(nèi)水深受穩(wěn)流堰和無壓隧洞內(nèi)水深限制，因為隧洞內(nèi)為明流，水深始終控制在3.95m，所以消力池內(nèi)的水深保持恒定，消力池內(nèi)水面的波動隨著取水豎井內(nèi)水位的升高逐漸加大，低水位106.03m時，池內(nèi)水深為6.21m，消力池前端水面波動范圍在0.3m左右，消力池末端波動在0.2m左右；當水位達到123.34m時，池內(nèi)水深略有增加為6.24m，消力池前端水面波動范圍在1.1m左右，消力池末端波動在0.7m左右。

(6)無壓輸水隧洞內(nèi)水面高程一直控制在3.95m，隨著取水豎井內(nèi)水位的升高，無壓洞內(nèi)水面線波動逐漸增大，豎井內(nèi)水位為106.03m時，水面沿3.95m高程線上下波動，最大波動范圍為±0.06m，豎井內(nèi)水位為123.34m時，水面沿3.95m高程線上下波動，最大波動范圍為±0.35m，各種工況下隧洞內(nèi)有足夠凈空，均能滿足引水時穩(wěn)定洞內(nèi)無壓流的條件。

(7)通過試驗繪制的閘門開度與綜合流量系數(shù)關系曲線、水位與綜合流量系數(shù)關系曲線對工程運行管理可以起到指導性作用。

(8)試驗結果表明，所有試驗工況下流態(tài)良好，能滿足設計要求。

[1] 李煒. 水力計算手冊[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2006．

[2] 劉亞坤. 水力學[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2008．

[3] 凌金龍. 閘門局開時輸水隧洞的水力特性研究[D]. 大連理工大學碩士論文, 2015．

[4] 趙秀鳳. 引水隧洞內(nèi)消能問題的研究[D]. 華北水利水電學院, 2006．

[5] 金哲, 王長新, 邱秀云. 深孔閘門后無壓隧洞內(nèi)消能工水流流態(tài)的數(shù)值模擬[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學學報, 2007, 30(03): 82- 86．

[6] 劉金云, 夏才初. 輸水隧道動力模型試驗中相似比尺規(guī)律的探討[J]. 地下空間與工程學報, 2013, 9(03): 510- 517．

[7] 張明義, 陳曉梅. 溫泉水電站深孔泄洪洞水工模型試驗研究[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2011(01): 33- 36．

[8] 李虹瑾, 魏敏, 侯杰. 隧洞洞內(nèi)新型消能試驗研究[J]. 東北水利水電 2007, 25(11): 56- 58．

[9] 陳曉東. 隧洞洞內(nèi)消能設計與研究[J]. 甘肅水利水電技術, 2014, 50(08):26- 30．

[10] 孫洪亮, 劉亞坤. 弧形閘門前漩渦特性研究[J]. 水利水運工程學報, 2017(02): 10- 15．

[11] 王成全. 南充干渠引水隧洞工程施工技術要點探究[J]. 水利技術監(jiān)督, 2015, 23(06): 68- 70．