無壓輸水隧洞出口連接井水力流態(tài)試驗(yàn)研究

張棟梁

(遼寧省水資源管理集團(tuán)，遼寧 沈陽 110166)

1 工程概況

遼寧省重點(diǎn)輸供水工程3-3無壓輸水隧洞，洞徑6.30m，隧洞出口底高程209.2m，設(shè)計最大流量42.0m3/s(對應(yīng)水位213.45m)。隧洞出口設(shè)不對稱水力連接井，井底高程202.40m，與隧洞出口高程差6.80m，井內(nèi)設(shè)計液面與隧洞出口設(shè)計液面高程相同，井頂板底面高程216.0m。連接井下游與3根φ3.62m的鋼管相連，鋼管外包混凝土，管中心高程205.0m，管頂高程206.80m。鋼管軸心線與隧洞軸心線夾角167.65°。連接井平面布置圖如圖1所示。

圖1 隧洞出口連接井平面布置圖

2 試驗(yàn)觀測

2.1 觀測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容和要求，模型共布設(shè)14個水位觀測點(diǎn)位：連接井底板均勻布設(shè)13個，隧洞出口與連接井交接處布設(shè)1個[6]。下游3根供水管線編號為A、B、C，如圖2所示。

圖2 連接井試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀^測點(diǎn)布置圖

2.2 試驗(yàn)組設(shè)定

根據(jù)工程目前實(shí)際運(yùn)行工況，本次試驗(yàn)分別采用單管線運(yùn)行方式進(jìn)行(A、B、C線任選其一)，在2.70～18.0m3/s流量區(qū)間內(nèi)，每種流量設(shè)5組工況：2.70、7.45、12.0、16.0、18.0m3/s，共計15組試驗(yàn)工況[7]。

2.3 觀測儀器

模型流量控制采用超聲波流量計，過程校準(zhǔn)精度±0.5%。不同流量條件下連接井內(nèi)的水位觀測，采用水位管控制測量，讀數(shù)誤差±0.3mm。

2.4 記錄儀器

為了更加全面地記錄與保留試驗(yàn)結(jié)果，本次試驗(yàn)選用記錄設(shè)備為記錄水位觀測數(shù)據(jù)的紙質(zhì)版電子表格、記錄水流流態(tài)的攝像機(jī)和照相機(jī)、同時應(yīng)用文字描述方式對試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行保存。

2.5 觀測方法

隨著流量及水位變化，連接井及出水管內(nèi)水體會發(fā)生摻氣、漩渦、氣阻等水力現(xiàn)象。每組試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)管末端閥門，使水位緩慢升高，至上述水力現(xiàn)象消失/發(fā)生為止，觀測整個動態(tài)變化過程中連接井和下游出水管道中水體變化情況。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 管A單獨(dú)運(yùn)行

3.1.1連接井水力現(xiàn)象

(1)摻氣現(xiàn)象

同一水位下，在2.70～18.0m3/s區(qū)間內(nèi)，隨著流量的增加，連接井內(nèi)水體摻氣范圍不斷擴(kuò)大、摻氣強(qiáng)度(氣泡大小及水花翻騰程度)不斷增加；同一流量下，隨著連接井內(nèi)水位升高，摻氣范圍不斷收縮，摻氣程度逐漸減弱直至消失；各工況連接井右側(cè)摻氣范圍和摻氣強(qiáng)度均大于左側(cè)。當(dāng)流量為2.70m3/s、水位209.0m時，以及流量為18.0m3/s、水位209.80m時，連接井內(nèi)摻氣現(xiàn)象消失。如圖3所示。

圖3 18.0m3/s流量時連接井水體摻氣圖

(2)漩渦現(xiàn)象

根據(jù)試驗(yàn)，連接井水位上升過程中，流量在2.70～7.45m3/s區(qū)間內(nèi)，井內(nèi)水體未產(chǎn)生漩渦；流量在12.0～18.0m3/s區(qū)間內(nèi)，在連接井左前和右前側(cè)產(chǎn)生明顯漩渦，并引發(fā)少量摻氣，隨著流量遞增，發(fā)生漩渦和摻氣的范圍不斷擴(kuò)大，且右前側(cè)漩渦和摻氣較左前側(cè)嚴(yán)重。

當(dāng)流量為12.0m3/s、水位209.40m時，連接井左前側(cè)(長×寬×深)0.50m×0.50m×0.30m和右前側(cè)2.0m×1.50m×0.50m范圍內(nèi)產(chǎn)生漩渦和摻氣，水位達(dá)到210.20m時漩渦消失。當(dāng)流量為18.0m3/s、水位為209.80m時，連接井左前側(cè)5.0m×1.0m×2.0m和右前側(cè)3.8m×1.5m×4.0m范圍內(nèi)產(chǎn)生漩渦和摻氣，水位達(dá)到210.50m時漩渦和摻氣現(xiàn)象消失。如圖4所示。

圖4 18.0m3/s流量時連接井水體漩渦效果圖

3.1.2管A水力現(xiàn)象觀測

(1)摻氣現(xiàn)象

供水過程中，連接井與管內(nèi)液面存在高差，水流速大，致使試驗(yàn)管段內(nèi)水體產(chǎn)生摻氣現(xiàn)象，隨著管內(nèi)液面上升，摻氣程度不斷減小直至消失。流量為2.70、7.45m3/s，水位分別達(dá)到203.92、204.45m時(管內(nèi)液面與連接井液面一致)，管內(nèi)水體摻氣現(xiàn)象消失。當(dāng)流量達(dá)到12.0、16.0、18.0m3/s時，由于管內(nèi)摻氣和井內(nèi)摻氣共同作用，出水管內(nèi)水體摻氣現(xiàn)象消失時對應(yīng)水位分別為210.20、210.20、210.50m。

(2)氣阻現(xiàn)象

管A單獨(dú)運(yùn)行時，2.70～7.45m3/s區(qū)間內(nèi)，連接井不同水位，管內(nèi)水體無氣阻現(xiàn)象；12.0～18.0m3/s區(qū)間內(nèi)，連接井水位達(dá)到出水管管頂高程206.80m以上時，管內(nèi)水體開始出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象，隨著流量增加和連接井水位升高，氣阻現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。

3.2 管B單獨(dú)運(yùn)行

3.2.1連接井水力現(xiàn)象

(1)摻氣現(xiàn)象

連接井水體摻氣現(xiàn)象及規(guī)律與管A單獨(dú)運(yùn)行時相同。當(dāng)流量2.70m3/s、水位209.10m時，摻氣現(xiàn)象消失；當(dāng)流量18.0m3/s、水位210.10m時，連接井內(nèi)摻氣現(xiàn)象消失。

(2)漩渦現(xiàn)象

連接井水體產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象及規(guī)律與管A單獨(dú)運(yùn)行時相同。當(dāng)流量達(dá)到12.0m3/s時、連接井水位達(dá)到209.80m時，連接井左前側(cè)1.0m×0.5m×0.5m和右前側(cè)3.0m×1.0m×0.5m范圍內(nèi)產(chǎn)生漩渦和摻氣現(xiàn)象；水位達(dá)到210.20m時漩渦和摻氣現(xiàn)象消失。當(dāng)流量達(dá)到18.0m3/s、連接井水位達(dá)到209.50m時，在連接井左前側(cè)5.0m×2.0m×2.0m和右前側(cè)7.0m×3.0m×5.0m范圍內(nèi)產(chǎn)生漩渦和摻氣現(xiàn)象；水位達(dá)到211.24m漩渦和摻氣現(xiàn)象消失。如圖5所示。

圖5 12.0m3/s流量時連接井水體漩渦范圍示意圖

2.2.3管B水力現(xiàn)象觀測

(1)摻氣現(xiàn)象

在供水過程中，管B產(chǎn)生摻氣的原因、現(xiàn)象及規(guī)律與管A單獨(dú)運(yùn)行時相同。流量為2.70、7.45m3/s，水位分別達(dá)到203.96、204.44m時，出水管內(nèi)水體摻氣現(xiàn)象消失。當(dāng)流量達(dá)到12.0、16.0、18.0m3/s時，出水管內(nèi)水體摻氣現(xiàn)象消失時對應(yīng)水位分別為210.20、210.75、211.24m。

(2)氣阻現(xiàn)象

管B單獨(dú)運(yùn)行時，2.70～7.45m3/s區(qū)間內(nèi)，不同水位時管內(nèi)水體均無氣阻現(xiàn)象產(chǎn)生；在12.0～18.0m3/s區(qū)間內(nèi)，當(dāng)連接井內(nèi)水位達(dá)到出水管管頂高程206.80m以上時，管內(nèi)水體開始出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象，隨著流量的增加和連接井水位的升高，氣阻現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。

3.3 管C單獨(dú)運(yùn)行

3.3.1連接井水力現(xiàn)象

(1)摻氣現(xiàn)象

連接井摻氣現(xiàn)象及規(guī)律與管A單獨(dú)運(yùn)行工況相同。當(dāng)流量2.70m3/s、水位達(dá)到208.90m時，摻氣現(xiàn)象消失；當(dāng)流量18.0m3/s、水位達(dá)到209.80m時，連接井內(nèi)摻氣現(xiàn)象消失。

(2)漩渦現(xiàn)象

連接井水體漩渦現(xiàn)象及規(guī)律與管A單獨(dú)運(yùn)行時相同。當(dāng)流量達(dá)到12.0m3/s、連接井水位達(dá)到209.80m時，連接井左前側(cè)2.5m×0.5m×0.5m和右前側(cè)4.5m×2.0m×0.5m范圍內(nèi)產(chǎn)生漩渦和摻氣現(xiàn)象，水位達(dá)到210.50m時漩渦和摻氣現(xiàn)象消失。當(dāng)流量達(dá)到18.0m3/s、連接井水位達(dá)到209.80m時，連接井左前側(cè)5.0m×1.0m×1.50m和右前側(cè)5.0m×1.50m×6.20m范圍內(nèi)產(chǎn)生漩渦和摻氣，水位達(dá)到210.90m漩渦和摻氣現(xiàn)象消失。

3.3.2管C水力現(xiàn)象觀測

(1)摻氣現(xiàn)象

管C在供水過程中產(chǎn)生摻氣原因、現(xiàn)象及規(guī)律與管A單獨(dú)運(yùn)行工況相同。流量為2.70、7.45m3/s、水位分別達(dá)到204.04、204.71m時，管內(nèi)水體摻氣現(xiàn)象消失。當(dāng)流量達(dá)到12.0、16.0、18.0m3/s時，管內(nèi)水體摻氣現(xiàn)象消失時對應(yīng)的水位分別為210.50、210.80、210.90m。如圖6所示。

圖6 18.0m3/s流量時出水管C水體摻氣圖

(2)氣阻現(xiàn)象

管C單獨(dú)運(yùn)行時，在2.70～7.45m3/s流量區(qū)間，連接井不同水位，管內(nèi)水體無氣阻現(xiàn)象；在12.0～18.0m3/s區(qū)間內(nèi)，當(dāng)連接井內(nèi)水位達(dá)到出水管管頂高程206.80m以上時，管內(nèi)水體開始出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象，且隨著流量的增加和連接井水位的升高，氣阻現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。

4 試驗(yàn)小結(jié)

4.1 連接井水力現(xiàn)象

根據(jù)試驗(yàn)觀測，管A、B、C單獨(dú)運(yùn)行時，在2.70～18.0m3/s區(qū)間內(nèi)，連接井進(jìn)水口與井內(nèi)液面存在水力坡降，對液面及連接井內(nèi)梁柱產(chǎn)生沖擊作用，井內(nèi)水體摻氣；連接井右側(cè)摻氣范圍和摻氣強(qiáng)度均大于左側(cè)；同一水位，流量遞增，井內(nèi)摻氣范圍不斷擴(kuò)大、摻氣強(qiáng)度逐漸增加；同一流量，隨著連接井內(nèi)水位升高，摻氣范圍不斷收縮，摻氣程度也隨之減弱，最終消失[8]。在12.0～18.0m3/s區(qū)間內(nèi)，連接井左前和右前側(cè)分別產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象，并引起少量摻氣現(xiàn)象；水位逐漸升高，漩渦和摻氣現(xiàn)象隨之消失。如圖7所示。

圖7 連接井摻氣和漩渦現(xiàn)象消失時水位與流量關(guān)系

4.2 出水管水力現(xiàn)象

根據(jù)試驗(yàn)觀測，管A、B、C單獨(dú)運(yùn)行時，不同流量下，出水管內(nèi)水體主要產(chǎn)生摻氣和氣阻兩種對結(jié)構(gòu)安全不利的水力現(xiàn)象。管內(nèi)水體摻氣主要有兩種原因：一是供水過程中連接井與管內(nèi)液面存在高差，水流速度較大，沖擊致使管內(nèi)水體摻氣。二是由連接井內(nèi)摻氣及漩渦產(chǎn)生的氣泡隨水流進(jìn)入管道內(nèi)部所致。氣阻則是當(dāng)連接井內(nèi)水位達(dá)到或高于管頂高程一定范圍內(nèi)，由于出水管內(nèi)存在摻氣，對水流產(chǎn)生的頂托與阻礙作用[9]。上述成果分析，如圖8所示。

圖8 出水管摻氣消失時水位與流量關(guān)系

由圖8可知：流量小于14.0m3/s時，三條出水管水體摻氣現(xiàn)象消失時對應(yīng)的水位差異并不明顯，當(dāng)流量大于14.0m3/s時，管A運(yùn)行時對應(yīng)的水位最低、其次為管C。

5 試驗(yàn)建議

根據(jù)本次仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果，對今后的實(shí)際應(yīng)用工作，提出以下建議：

(1)水體摻氣、漩渦現(xiàn)象的長期存在會對下游管道進(jìn)氣和排氣產(chǎn)生不利影響，建議工程實(shí)際供水過程中，在保證供水量及構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡量使得連接井以較高水位運(yùn)行，可減弱或消除井內(nèi)摻氣及漩渦現(xiàn)象。

(2)為了減輕下游出水管內(nèi)水體摻氣和氣阻的不利影響，保證供水安全，建議在管道供水過程中及大流量供水時，先通過小流量逐漸將連接井內(nèi)水位提升至管頂上方一定高度，待摻氣和漩渦現(xiàn)象消失后，再加大供水流量。

(3)連接井內(nèi)摻氣、漩渦現(xiàn)象的產(chǎn)生與工程型式和過水構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，為了減輕不利影響，建議在今后的設(shè)計應(yīng)用中，對連接井體型和梁板形狀等局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，盡量設(shè)計成圓形、流線形，并使工程結(jié)構(gòu)盡可能對稱布置。

(4)建議增加連接井、出水管排氣能力。氣阻現(xiàn)象主要是因?yàn)槌鏊軆?nèi)氣體不能有效合理排除，從而對水流產(chǎn)生阻礙而產(chǎn)生，建議在各出水管道增設(shè)排氣孔；氣阻現(xiàn)象所導(dǎo)致的大氣泡可能會對連接井頂部產(chǎn)生水流沖擊作用，使連接井內(nèi)部壓力增大，建議在連接井蓋板上增設(shè)排氣孔，提高排氣能力，保障工程運(yùn)行安全。

(5)本試驗(yàn)結(jié)果與工程上下游水力條件、運(yùn)行方式等因素密切相關(guān)，由于試驗(yàn)條件有限，不能進(jìn)行全程模擬，與實(shí)際工程相比存在一定差異，建議實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)調(diào)度運(yùn)行方式，加強(qiáng)原型觀測，加強(qiáng)對連接井和出水管路摻氣及氣阻等現(xiàn)象的巡查及監(jiān)控，增設(shè)智能安全檢測設(shè)備，及時發(fā)現(xiàn)問題，采取有效措施，確保工程運(yùn)行安全。