范遠東

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110003)

1 概述

遼寧省重點輸水工程為長距離大型輸水工程，具有大口徑、大流量、多分水口的典型特點。本工程三、四段輸水線路總長367km，輸水途徑包括PCCP管、鋼管、無壓隧洞和壓力隧洞等，采用無壓隧洞——壓力隧洞——單管——多管串聯(lián)運行。整個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)非常復雜，根據(jù)水力過渡分析要求，為了保證輸水系統(tǒng)事故時穩(wěn)壓安全，將線路輸水運行進行分段控制，并在輸水路徑上設有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，前距無壓洞3- 3出口13.20km(線路設置4組檢修閥門)，后距2#穩(wěn)壓溢流池91km(線路設置3座配水站以及5組檢修閥門)，負責約104km的輸水線路水錘防護，線路布置示意圖見圖1、圖2。

圖1 無壓隧洞3- 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)壓豎井在整個線路中對系統(tǒng)的水錘防護起到了至關重要的作用，設計不當直接關系到整個工程的安全。為了保障工程運行安全，試驗模擬1#穩(wěn)壓豎井在工程運行中的水力學條件，驗證設計型式是否合理、可靠，同時為合理有效解決工程運行中可能存在的有關問題提供充分的水力學依據(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)壓豎井結構平面圖

圖4 1#穩(wěn)壓豎井結構剖面圖

2 穩(wěn)壓豎井設計型式

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

溢流井周圍設連接池，發(fā)生溢流時，水通過連接池接入溢流管道排出。溢流池結構尺寸為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)過溢流堰進入集水井，井底高程202.30m，并通過DN3600PCCP管接入水庫庫區(qū)。

1#穩(wěn)壓豎井結構設計圖見圖3、圖4。

圖5 穩(wěn)壓豎井模型測點布置圖

3 模型比尺及測點布設

3.1 模型比尺

模型按重力相似準則設計，考慮試驗場地條件，本工程模型試驗采用正態(tài)恒定流模型，各物理量的比尺如下：

長度比尺：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

壓強比尺：Pr=Lr=10

3.2 測點布設

穩(wěn)壓豎井模型共布設15個觀測點位，其中水位測點12個，壓力測點3個。12個水位測點分別布設在連接池底板4個斷面上(測點編號A1、A2、A3、A4、C1、C2、C3)、溢流井壁(測點編號B1、B2、B3和B4)，連接池頂板(測點編號F)；3個壓力測點分別布設在溢流管上(測點編號D、E、G)。見圖5。

4 模型試驗分析

4.1 穩(wěn)壓豎井水位～流量關系分析

根據(jù)試驗觀測結果，本工程設計流量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～流量管線曲線見圖6。

圖6 穩(wěn)壓豎井水位～流量關系曲線

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

4.2 豎井連接池水位～流量關系分析

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。工程設計流量41.0m3/s時，斷面1- 1～4- 4及距蓋板距離詳見表1及圖7。

表1 設計流量時豎井連接池斷面1- 1～4- 4水位表

圖7 設計流量時豎井連接池斷面1- 1～4- 4水面線

在流量2.0～45.0m3/s區(qū)間，豎井連接池水位～流量關系呈線性遞增趨勢，同一流量下，斷面1- 1水位較高，主要因為存在壅水現(xiàn)象。工程設計流量時，同時蓋板設計高程滿足溢流井水位要求。

4.3 壓強分析

在溢流管上布設3個壓強觀測點位(測點編號：D、E和G)，其中D點位于溢流管正下方，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點位于溢流管側下方，與中心線垂直，距連接池壁長度、溢流管底高度均為70mm(原型0.70m)。

(1)D點壓強曲線

在流量2.0～45.0m3/s區(qū)間，D點壓強值隨著流量的增加呈線性遞增趨勢見圖8。2.0～6.0m3/s為負壓區(qū)，壓強值為-0.21～-0.05m水柱，8.0～45.0m3/s為正壓區(qū)，壓強值為0.04～1.23m水柱；當流量達到45.0m3/s時壓強最大，為1.23m水柱；工程設計流量41.0m3/s時，壓強為1.11m水柱。

圖8 D點壓強曲線圖

(2)E點壓強曲線

在流量(2.0～45.0)m3/s區(qū)間，E點壓強值隨著流量的增加呈線性遞增趨勢見圖9，壓強范圍在(0.51～1.67)m水柱區(qū)間，當流量達到45.0m3/s時壓強最大，為1.67m水柱；工程設計流量41.0m3/s時，壓強為1.61m水柱。

圖9 E點壓強曲線圖

(3)G點壓強曲線

在流量2.0～16.0m3/s區(qū)間，由于水位較低，未達到G點；在18.0～45.0m3/s區(qū)間，壓強值隨著流量的增加，大體呈線性遞增趨勢，見圖10。壓強值在0.09～0.24m水柱區(qū)間，當流量達到45.0m3/s時，壓強為0.24m水柱；工程設計流量41.0m3/s時，壓強為0.20m水柱。

圖10 G點壓強曲線圖

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，在試驗溢流管段內(nèi)未產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象，設計流量時，未出現(xiàn)明滿流交替情況。

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

圖11 氣穴現(xiàn)象試驗照片

(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，溢流管進口開始有少量摻氣，隨著流量的增大，摻氣愈加嚴重見圖12。

圖12 摻氣現(xiàn)象試驗照片

5 結論及建議

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

(2)小流量2.0～6.0m3/s時，D測點出現(xiàn)負壓，同時該區(qū)域存在局部氣穴和摻氣現(xiàn)象。實際設計優(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)通過水力模型試驗后，實際優(yōu)化后的穩(wěn)壓豎井結構設計合理、可行，滿足本工程需求，也為后期運行提供了有力的水力學依據(jù)和保障，同時對其他類似工程提供有益的參考價值。