減壓箱在太湖水庫輸水管線設(shè)計中的應(yīng)用

郭增濤，廖冬芽

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院；江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

1 概 述

太湖水庫輸水管線工程位于江西省尋烏縣，水源鄉(xiāng)段管線主要沿現(xiàn)狀山溝布置，澄江鎮(zhèn)段主要沿206國道邊溝布置，城區(qū)段沿高速連接線邊山溝布置。輸水管為重力流輸水，管線設(shè)計總長度31.80 km，日最大輸水流量為0.83 m3/s[1]。其中水源水廠分水口位于樁號5+000，日最大輸水流量為0.03 m3/s；澄江鎮(zhèn)分水口位于樁號14+700，日最大輸水流量為0.061 m3/s；吉潭鎮(zhèn)分水口位于輸水管線樁號25+500，日最大輸水流量為0.05 m3/s。

太湖水庫正常蓄水位443.00 m，設(shè)計洪水位(P=2%)445.01 m，校核洪水位(P=0.1%)446.53 m，死水位410.00 m[2]。灌溉引水隧洞進(jìn)口底高程為406.00 m。輸水管線設(shè)計工作水位為410.00～446.53 m，水廠進(jìn)水管中心高程330.00 m，要求新建水廠進(jìn)口測壓管水頭為340.00～345.00 m，管道靜壓承壓標(biāo)準(zhǔn)為100.00 m。

太湖水庫供水工程為重力流供水，且沿線地形復(fù)雜，地形高點(diǎn)處地面高程410.00 m左右，低點(diǎn)處地面高程290.00 m左右，輸水管線的結(jié)構(gòu)布置見圖1、2，管線起伏較大，供水距離長、任務(wù)艱巨，輸水工況的轉(zhuǎn)換、管線閥門的啟閉等都會導(dǎo)致輸水系統(tǒng)產(chǎn)生水力瞬變現(xiàn)象，輕則導(dǎo)致管路出現(xiàn)非正常供水，重則導(dǎo)致爆管，破壞整個輸水系統(tǒng)的運(yùn)行[3]。

圖1 輸水系統(tǒng)縱斷面布置圖

圖2 太湖水庫輸水工程系統(tǒng)布置圖

2 不設(shè)減壓箱方案管線壓力狀況

根據(jù)太湖水庫輸水管線的運(yùn)行狀況，首先考慮不設(shè)減壓設(shè)施情況下計算的管線工作壓力狀況，根據(jù)計算結(jié)果確定是否增設(shè)管道減壓設(shè)施。

在沿線不設(shè)減壓設(shè)施條件下，太湖水庫校核洪水位、尋烏縣水廠最小控制內(nèi)壓時總壓力水頭最大，而主管流量為0%設(shè)計流量時，管道過流無水頭損失，此時管道沿線的測壓管水頭最高，該工況為管道沿線最大內(nèi)壓的控制工況。

工況一：太湖水庫水位為死水位410.00 m，尋烏縣水廠最大測壓管水頭345.00 m，主管流量為100%設(shè)計流量0.83 m3/s。

工況二：太湖水庫水位為校核洪水位446.53 m，尋烏縣水廠最小測壓管水頭340.00 m，主管流量為0%設(shè)計流量0 m3/s。

圖3 工況一輸水管道計算內(nèi)水壓力線

圖4 工況二輸水管道計算內(nèi)水壓力線

表1 管道沿線最大最小測壓管水頭、內(nèi)水壓力統(tǒng)計表m

由圖3～4和表1可知：(1)在工況一時，管道沿線的測壓管水頭最低，其管道沿線的最小內(nèi)水壓力為19.06 m(位于管道首端，該處管道中心線高程最高)，未出現(xiàn)負(fù)壓，故本工程的過流能力能夠滿足要求。(2)在工況二時，管道沿線沒有水頭損失，故管道沿線的測壓管水頭最高為446.53 m，管道沿線最大內(nèi)水壓力為162.19 m(位于樁號31+500，該處管道中心線高程最低)，超過100.00 m管道靜水壓力承壓標(biāo)準(zhǔn)。為了削減過大的水流余能，本工程考慮采用減壓箱作為消能防護(hù)措施。

3 設(shè)減壓箱方案

3.1 減壓箱布置

由于尋烏太湖水庫供水工程為重力流供水，沿線地形復(fù)雜，管線起伏較大，消能方案應(yīng)兼顧系統(tǒng)過流能力的要求，而過流能力的控制點(diǎn)為管道中心線起伏的高點(diǎn)。由圖1輸水系統(tǒng)縱斷面設(shè)計圖可知，過流能力的控制點(diǎn)存在于樁號0-178.95、8+700、27+675和31+811四個沿線地形高點(diǎn)中，該四點(diǎn)正常運(yùn)行時內(nèi)水壓力相對較低，富余水頭最小。經(jīng)計算，過流能力的控制點(diǎn)為27+675，由于首端處設(shè)置消能設(shè)施影響的管段最長，且考慮管道靜水壓力承壓標(biāo)準(zhǔn)，故在管道首端(樁號0-104.95)后設(shè)置1#減壓箱，為滿足任意工況下管道的過流能力，含支線的管道核算減壓箱水位，計算出1#減壓箱應(yīng)取水位為390.50 m。

考慮管道過水能力，在樁號27+725處布置2#減壓箱。此時2#減壓箱的過流能力控制點(diǎn)顯然為管道末端尋烏縣新建水廠進(jìn)口最高水位情況。為滿足任意工況下管道過流能力，計算出2#減壓箱運(yùn)行水位350.50 m。2#減壓箱主要起降低管道沿線最大靜水壓力的作用，故2#減壓箱不起消能作用，只起減壓作用。

本工程由1#減壓箱削減過大的水流余能。當(dāng)供水流量不變時，閥后的箱體消能設(shè)施消能效果是固定的，故采用上游低水位，主管流量為100%設(shè)計流量工況下計算減壓箱的消能效果，經(jīng)過計算，100%流量下，1#減壓箱削減15.00 m壓力水頭。

1#減壓箱采用常規(guī)減壓箱，即調(diào)流閥+箱體消能設(shè)施的結(jié)構(gòu)形式，兼具有水力摩阻元件和調(diào)壓室的共同功用。消能依靠調(diào)流閥與箱體的共同作用。調(diào)流閥與箱體消能設(shè)施均可在不同程度上起消能作用。當(dāng)減壓箱結(jié)構(gòu)形式確定后，其消能效果僅與供水流量有關(guān)，摩阻系數(shù)不會再發(fā)生變化，如需要進(jìn)一步削減水流能量，則需調(diào)整調(diào)流閥開度。

結(jié)構(gòu)上主要由折式消力板、消能隔墻(一個接地式，另一個為懸式)、消能底坎和后部的海漫幾部分構(gòu)成(見圖5)。減壓箱的消能段體積較小，但卻消耗了大部分的水流裕能，具有水力摩阻的消能性質(zhì)，水流主要以摻混、紊動、破碎的方式消能，表現(xiàn)的形式是水與水的質(zhì)點(diǎn)之間，水與氣泡之間，水、氣泡與固體邊界之間，通過摩擦進(jìn)行質(zhì)量、能量和動量的交換，從而達(dá)到了能量的消散；而其穩(wěn)流調(diào)蓄段占有消能箱的大部分體積，主要用于調(diào)整水流流態(tài)和平穩(wěn)水流流速，具有調(diào)壓室的性質(zhì)。

圖5 1#減壓箱結(jié)構(gòu)布置圖

圖6 2#減壓箱結(jié)構(gòu)布置圖

2#減壓箱采用調(diào)流閥+常規(guī)調(diào)壓室形式(見圖6)，設(shè)置目的主要削減系統(tǒng)靜水壓力與水錘壓力，在運(yùn)行時箱體不起消能作用，調(diào)流閥處于大開度狀態(tài)，箱體與電站中的調(diào)壓室功能一致，起減緩系統(tǒng)水錘作用?？紤]到本工程在運(yùn)行初期，水量未達(dá)到設(shè)計水量，減壓箱也要削減部分水頭來維持系統(tǒng)無負(fù)壓正常運(yùn)行，屆時主要通過調(diào)流閥消能。2#減壓箱與1#減壓箱最大的差別在于1#減壓箱的消能依靠閥體與箱體的共同作用，而2#減壓箱主要依靠閥體消能。

表2 減壓箱布置參數(shù)

3.2 設(shè)減壓箱后輸水管線壓力狀況

對太湖水庫供水工程雙消能箱布置方案進(jìn)行流量為0%、30%、50%、100%情況下進(jìn)行工況一和工況二的恒定流計算，不同流量不同工況下管段的最大壓力統(tǒng)計如表3。太湖輸水管線雙消能箱布置示意圖見圖2。

工況一：太湖水庫死水位、尋烏縣水廠最大測壓管水頭，主管線流量為100%流量0.830 m3/s，50%流量0.487 m3/s，30%流量0.348 m3/s，0流量0 m3/s；

工況二：太湖水庫校核洪水位、尋烏縣水廠最小測壓管水頭，主管線流量為100%流量0.830 m3/s，50%流量0.487 m3/s，30%流量0.348 m3/s，0流量0 m3/s。

由表3可知，由于太湖水庫供水工程管線較長，高程落差大，不同流量的管線內(nèi)水壓力有較大的區(qū)別，零流量時管道無摩阻損失，內(nèi)水壓力最大，達(dá)到了98.78 m，低于管道設(shè)計承壓能力100.00 m；各流量各工況下管道沿程無負(fù)壓，故過流能力能夠滿足，減壓箱水位的設(shè)置較為合理。

表3 各工況不同流量下管段最大壓力統(tǒng)計

4 結(jié) 論

通過對太湖水庫輸水管線進(jìn)行水力過渡過程計算，模擬工程設(shè)計和運(yùn)行中可能出現(xiàn)的水力過渡過程，校核了供水系統(tǒng)的過流能力；并運(yùn)用輸水管道雙減壓箱方案有效降低了管道靜內(nèi)壓，起到了削減過高水流余能的作用，使管線運(yùn)行更加平穩(wěn)，減小水力過渡過程對系統(tǒng)供水造成的影響，并通過經(jīng)濟(jì)合理的工程措施，確保該供水工程的安全。