基于原型觀測試驗的引水隧洞糙率反推計算及過水能力復核方法探討

李 輝

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

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基于原型觀測試驗的引水隧洞糙率反推計算及過水能力復核方法探討

李 輝

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

本文基于原型觀測試驗的方式并結(jié)合一維非恒流方程對遼寧中部某引水隧洞糙率進行反推計算，并結(jié)合糙率反推結(jié)果對引水隧洞過水能力進行復核方法進行了探討。計算結(jié)果表明：原型觀測試驗結(jié)合一維非恒流方程的算法可實現(xiàn)引水隧洞糙率的反推計算，計算糙率結(jié)果較為合理，小于工程設計糙率值；經(jīng)過水能力復核計算，引水隧洞現(xiàn)狀過水能力可滿足設計規(guī)范要求。研究成果對于引水隧洞糙率反推和過水能力復核提供方法參考。

原型觀測方法；引水隧洞糙率反推；非恒定流方程；過水能力復核

引水隧洞是城市供水的重要工程措施，當前，城市水引水資源供需日益緊張，急需對引水隧洞的過水能力進行復核計算，若引水隧洞的過水能力已經(jīng)達到城市供水需求，則不需要再建引水設施，減少工程投資。而復核后的引水隧洞過水能力已經(jīng)不能達到城市供水需求，則需要再建或者擴建引水設施，從而達到城市供水的要求，因此對引水隧洞過水能力復核計算十分重要。對于引水隧洞過水能力的復核關鍵在于糙率的推求，對于引水隧洞糙率反推國內(nèi)許多學者展開相關研究，并取得一定研究成果[1-6]。在這些成果中較為成功為采用原型觀測試驗的方法，結(jié)合實測水位流量數(shù)據(jù)，應用曼寧公式(均勻恒定流)反推隧洞糙率，但是引水隧洞由于來水受閘門啟閉影響，呈現(xiàn)非恒定流流態(tài)，采用恒定流反推糙率存在計算誤差，為此本文引入一維非恒定流方程[7-8]，以遼寧中部某引水隧洞為工程實例，基于原型觀測試驗方式對隧洞糙率進行反推，結(jié)合反推糙率對隧洞過水能力進行復核計算。

1 引水隧洞糙率反推及過水能力復核計算方法

引水隧洞水流受閘門啟閉影響，水流呈現(xiàn)非恒定流流態(tài)，傳統(tǒng)糙率反推方法采用基于恒定流方程的曼寧公式計算，存在計算缺陷，為此本文選用一維非恒定流方程來進行引水隧洞糙率的反推計算，通過試算不同水深下的糙率，模擬不同時刻斷面的水位、流量，直到模擬的水位、流量與實測水位、流量較吻合(原型觀測試驗測定)，將試算最優(yōu)結(jié)果的綜合糙率作為隧洞反推的糙率。結(jié)合反推的糙率，結(jié)合不同來水量，計算斷面過水能力，對引水隧洞過水能力進行復核。其中糙率作為參數(shù)進行輸入，一維非恒定流得水位和流量計算方程為：

(1)

在方程(1)中Q表示斷面流量，單位m3/s；Z表示斷面水位，單位m；u表示為斷面平均流速，單位m/s；A表示斷面橫斷面面積，單位m2；x表示沿水流縱向的水平距離，單位m；t表示為計算時間，單位h；g表示為重力加速度，單位為m/s2；a表示為流速不均勻分布系數(shù)，無量綱；Sf表示為水力學坡降；B表示為斷面寬度，單位m。

結(jié)合Preissman四點加權差分格式對方程(1)進行求解計算，在方程組中變量的導數(shù)差分格式見方程(2)：

(2)

在方程(2)中θ表示方程加權系數(shù)， f表示為推求斷面水位值和流量值，單位分別為m和m3/s，其他變量含義同方程(1)。

2 工程實例分析

2.1 引水隧洞原型觀測試驗斷面設置

研究的引水隧洞總的長度為3 000 m，隧洞過水能力要求為5 m3/s，才能滿足城市現(xiàn)狀供水需求。在原型觀測試驗中，設置5個斷面，各試驗斷面間距為250 m，其中I、II 、II、VI、V斷面均進行水位測定，II、III為流量測定斷面，進行流量測定，各試驗斷面布設圖見圖1。

2.2 斷面水位流量測定方法

2.2.1 流量測定

II、III斷面安裝流量計。結(jié)合隧洞形狀，流量計安裝在隧洞底板中部，蓄電池安裝在隧洞頂部，中間連接電纜，電纜外部加護管保護。為防止隧洞內(nèi)淤積對流量計的影響，流量計安裝高度距地面8 cm，下部為U型不銹鋼板。為防止漂浮物影響，U型不銹鋼板采用加長處理，迎水側(cè)進行封閉處理。

圖1 原型觀測試驗斷面布設圖

2.2.2 水位測定

I、VI、V斷面安裝雷達水位計，考慮橫比降的影響，水位計及蓄電池全部采用懸掛式，安裝在隧洞頂部中間位置。水位計儀器箱底部距隧洞底板2.5 m，能夠滿足施測最大水深2.13 m的要求。

2.2.3 儀器參數(shù)設置

對水位計、流量計的參數(shù)進行設置。測量歷時均為60 s，測量間隔5 min，每小時測量12次。各臺儀器統(tǒng)一授時，以保證測驗時間的同步性。

2.3 試驗斷面測量計算

試驗斷面測量是糙率反推的基礎，對布設的5個試驗橫斷面進行了測量，并對隧洞沿程縱斷面進行了測量，斷面測量結(jié)果見圖2。

圖2 隧洞測量成果示意圖

2.4 原型觀測試驗測定結(jié)果

結(jié)合10組放水試驗，進行原型觀測試驗，對斷面的水位和流量進行試驗測定，各斷面水位流量試驗測定結(jié)果見表1和表2。

表1 原型觀測試驗斷面水位測定結(jié)果

表2 原型觀測試驗斷面流量測定結(jié)果

2.5 基于一維非恒定流模型糙率反推結(jié)果

將I斷面和V斷面水位作為模型上、下水位邊界，通過糙率試算，推求III斷面的流量，結(jié)合實測III斷面數(shù)據(jù)，進行分析計算，當推求的流量和實測流量較為接近，當前模型糙率值即為糙率反推值。引水隧洞糙率反推結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，經(jīng)過糙率試算后，計算的流量和水深和原型觀測試驗斷面流量和水深擬合度均較高，從表中可以看出，反推計算的糙率在0.013 6～0.019 4，在低水時，其糙率較低。在高水時，其糙率較。從和設計糙率對比結(jié)果可以看出，在不同水深下，反推的糙率均低于設計糙率值，這主要是在引水隧洞工程設計時，考慮到引水隧洞工程安全性，增大了不同水深下的設計糙率值。

表3 基于一維非恒定流模型模擬成果

2.6 糙率合理性驗證

為驗證反推糙率的合理性，結(jié)合放水試驗，對應選取III斷面10個洪峰時刻流量，結(jié)合糙率反推結(jié)果，計算III斷面不同水位下的流量值，對比試驗測定的流量值，分析計算糙率反推結(jié)果的合理性，分析計算結(jié)果見表4和圖3。

表4 糙率驗證結(jié)果

圖3 反推糙率驗證結(jié)果

從表4中可以看出，采用反推計算的糙率計算的流量和實測流量之間的誤差較小，計算誤差在0.9%～-5.8%之間，符合水利工程設計規(guī)范要求。表明反推計算的引水隧洞糙率值較為合理。圖3為基于反推糙率計算流量和實測流量的對比結(jié)果，從圖中可以看出計算流量和實測流量過程較為吻合，相關性較高。綜上表明結(jié)合原型觀測試驗的一維非恒定流的糙率反推計算方法在引水隧洞糙率反推計算中具有較好的適用性。

2.7 隧洞過流能力復核方法探討

傳統(tǒng)隧洞過水能力復核計算，結(jié)合隧洞出口斷面流量測定數(shù)據(jù)，對過水能力復核計算，但是引水隧洞沿程水流由于糙率影響，均有損損失，因此傳統(tǒng)方法推算的隧洞過水能力可能小于隧洞實際的過水能力，本文推薦采用隧洞糙率反推結(jié)果，通過設定隧洞最大水深，利用非恒定流方程推算隧洞最大的過水能力，使得隧洞過水能力計算更加合理化。以本文引水隧洞工程為例，在糙率反推結(jié)果的基礎上，對引水隧洞的過水能力進行復核計算，結(jié)合一維非恒定流數(shù)學模型進行推算，當隧洞水深H=1.65 m時，可通過5.25 m3/s，引水隧洞徑高為0.51 m，隧洞的凈空為21.48%均可滿足水利工程設計規(guī)范要求，隧洞內(nèi)的流速為1.213 m3/s，滿足其設計過水隧洞過水能力要求(要求過水能力在5 m3/s)。

3 結(jié)語

文章結(jié)合原型觀測試驗的方式并應用一維非恒定流數(shù)學模型對引水隧洞的糙率進行反推，結(jié)合糙率反推結(jié)果對引水隧洞的過水能力進行了復核計算，研究取得的結(jié)論為：

(1)原型觀測試驗的方式可對引水隧洞的糙率進行反推，反推計算的糙率結(jié)果合理性較高；

(2)結(jié)合糙率反推結(jié)果可對隧洞過水能力進行復核，可從試驗角度對引水隧洞的過水能力進行論證，為城市引水措施改建和擴建可行性論證提供論證依據(jù)。

[1]齊英. 不同糙率推求方法在引水隧洞中的對比分析[J].水利技術監(jiān)督.2016,(02):38-40.

[2]吳疆,潘益斌. 淺談錦屏二級引水隧洞沿程糙率系數(shù)的反算方法[J].大壩與安全.2014,(01):6-8.

[3]胡冰,王麗學. 引蘭入湯引水隧洞糙率原型觀測及隧洞過流能力復核研究[J].中國水能及電氣化.2006,(03):49-50+59.

[4]張良然,陳合愛,康仲律,等. 仰山三級電站引水隧洞糙率原型觀測[J]. 江西水利科技.1993,(01):50-55.

[5]李協(xié)生.引水隧洞中漸變段水頭損失計算問題的探討[J].四川水力發(fā)電.1991,(01):55-61.

[6]李協(xié)生.不襯砌引水隧洞糙率選值問題的探討[J].水力發(fā)電學報.1990,(02):61-71.

[7]伍寧. 一維圣維南方程組在非恒定流計算中的應用[J].人民長江.2001,(11):16-18+56.

[8]黃碧珊. 水電站下游河道中非恒定流的一維數(shù)學模型[J].水運工程.1990,(10):7-10.

2017-03-13

李輝(1987-)，男，安徽阜陽人，助理工程師，主要從事水質(zhì)監(jiān)測工作。

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