深筒式消能井的沖擊壓力和管口距研究

張晉鋒，王海波，翟靜靜

(1. 湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064； 2. 長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430070)

筒式消能井適用于小流量、高水頭管口出流消能的情況[1]。侍克斌等通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了圓筒式消能井直徑和井內(nèi)水深計(jì)算的半經(jīng)驗(yàn)公式[2]。孫秀峰等采用數(shù)值模型對(duì)筒式消能井內(nèi)的流態(tài)、流速和壓力進(jìn)行了計(jì)算[3]，并得出了筒式消能井管口距合理范圍[4]。侯守敬等，通過(guò)模型試驗(yàn)研究得出隨著消能井深度和直徑的增大，底板時(shí)均壓強(qiáng)逐漸減小且分布趨于均勻，脈動(dòng)壓強(qiáng)頻率峰值越低，越有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，消能效果越好[5]。其他學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析方法對(duì)筒式消能井的消能機(jī)理，結(jié)構(gòu)尺寸等進(jìn)行了研究[6-10]。高宗昌等通過(guò)設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)在克拉瑪依林紙一體化項(xiàng)目中應(yīng)用了筒式消力井[11]。筒式消能在國(guó)內(nèi)應(yīng)用上并不多見(jiàn)，目前的研究也限制在2 m3/s以內(nèi)的小流量范圍內(nèi)，實(shí)際工程中管口出流消能采用筒式消能是較為簡(jiǎn)便的消能方式。為此本文對(duì)筒式消能井進(jìn)行研究，以期得到較大流量下筒式消能井的設(shè)計(jì)參數(shù)。

鄂北工程單體最長(zhǎng)的孟樓～七方倒虹吸總長(zhǎng)72.149 km，設(shè)計(jì)流量為38 m3/s。壓力管道為內(nèi)徑3.8 m的PCCP，三管同槽鋪設(shè)，管道工作壓力為0.4～0.8 MPa。倒虹吸全線設(shè)置15處放空系統(tǒng)，其中10處放空系統(tǒng)的消能采用了深筒式消能井。消能井處放空水頭為8～23.5 m，放空流量為6～10.3 m3/s，消能井處放空管道直徑1 m。消能井井深初擬為6.5～10 m，井寬初擬為5.6 m。由于目前筒式消能井的設(shè)計(jì)資料相對(duì)較少，為指導(dǎo)設(shè)計(jì)，本文進(jìn)行了消能井的概化物理模型試驗(yàn)，通過(guò)分析和論證，提出了流量、管口距及管口直徑的經(jīng)驗(yàn)公式，并確定了筒式消能井的管口距。

1 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)條件

根據(jù)消能井的布置、水力條件如水頭、流量等設(shè)計(jì)了1∶10放空概化物理模型。模型放空管道采用10 cm有機(jī)玻璃管，消能井及消力池等采用有機(jī)玻璃制作。模型模擬范圍包括部分放空管道、消能井及下游渠道。模型照片見(jiàn)圖1。

圖1 放空系統(tǒng)概化模型

模型流量采用矩形薄壁堰量測(cè)，上、下游水位采用水位測(cè)針量測(cè)，水面線采用鋼尺量測(cè)。

張宗孝等通過(guò)研究消能井井深變化下的水利特征得出井深與井直徑的比值為1.5時(shí)較為合理[3]。本文固定井寬5.6 m，通過(guò)物理模型試驗(yàn)確定不同井深H、管口距△、流量Q下消能井內(nèi)各個(gè)水力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，在各個(gè)流量下分別擬定了管口距0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 m和5.5 m的試驗(yàn)條件，共60組試驗(yàn)工況。

2 沖擊壓力特性

對(duì)于垂直射流，消能井底板上的沖擊壓力分布一般成正態(tài)分布，在壁射流沖擊區(qū)，沖擊壓力大，在旋滾摻混區(qū)，沖擊壓力小，以底板對(duì)應(yīng)的管口中心點(diǎn)處(以下簡(jiǎn)稱中心點(diǎn))的沖擊壓力最大，底板沖擊壓力示意見(jiàn)圖2。

圖2 底板沖擊壓力分布圖

試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)都是在消能井充滿水的條件下進(jìn)行的。不同管口距的消能井底板中心點(diǎn)的沖擊壓力見(jiàn)表1。10 m井深時(shí)不同管口距的消能井底板中心點(diǎn)的沖擊壓力見(jiàn)圖3。從表1和圖3可以看出，管口距、井深相同時(shí)，消能井底板中心點(diǎn)沖擊壓力隨著流量的增大而增大；流量、井深相同時(shí)，沖擊壓力隨著管口距的增大而減小。

圖3 井深10 m時(shí)底板中心沖擊壓力圖

表1 消能井底板中心點(diǎn)的沖擊壓力(×9.81 kPa)

相同管口距不同井深的消能井底板中心點(diǎn)的沖擊壓力見(jiàn)表1，1.5 m管口距時(shí)不同井深的消能井底板中心點(diǎn)沖擊壓力見(jiàn)圖4。由表圖可知，在相同流量和管口距情況下，底板中心點(diǎn)沖擊壓力隨著井深的增大而略有減小，如Q=10.3 m3/s，△=1.5時(shí)，井深H分別為6.5、8.5、10 m時(shí)，消能井底板最大沖擊壓力為10.13×9.81、9.1×9.81、8.6×9.81 kPa。

圖4 等管口距不同井深沖擊壓力圖

3 沖擊壓力經(jīng)驗(yàn)公式

消能井底板最大沖擊壓力Pmax與各物理量的關(guān)系式可表示為

Pmax=f(Q,D,Δ,g)

式中：Pmax為消能井底板中心最大沖擊壓力，9.81 kPa；Q為流量，m3/s；D為管徑，m；Δ為管口距，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

圖5 構(gòu)造函數(shù)分析圖

通過(guò)量綱分析構(gòu)造Pmax與自變量之間的關(guān)系式

可采用函數(shù)關(guān)系式

式中a，b，c為常數(shù)。

圖6 系數(shù)k與管口距擬合曲線

通過(guò)分析可得a=0.9415，b=-1.212，c=2。

則可得到Pmax與流量、管口距及管口直徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

因本工程消能井前放空管道出口直徑徑固定為D=1 m，故此公式可簡(jiǎn)化為

4 管口距的確定

從表1和圖3中也可以看出，隨著管口距的增加，井底中心的壓力不Pmax斷減小，在管口距0.5～1.5 m區(qū)間，井底中心壓力下降明顯，其后井底中心沖擊壓力隨管口距增加變化趨緩。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在管口距為1.5 m時(shí)，井底中心最大沖擊壓力為10.13×9.81 kPa；管口距為2.5 m時(shí)，井底中心最大沖擊壓力為9.95×9.81 kPa。井深由1.5～2.5 m時(shí)井底沖擊壓力變化不大。

從安全角度出發(fā)，管口距越大，井底沖擊壓力越小。但由于鄂北工程放空系統(tǒng)均位于土基上，放空管道本身埋深較深，加大管口距同時(shí)需要加深消能井深度，消能井結(jié)構(gòu)亦隨之加大，土質(zhì)邊坡處理、開(kāi)挖及回填工程量均要加大。鑒于以上原因，鄂北工程設(shè)計(jì)推薦井底沖擊壓力適中的管口距為1.5 m，消能井總深度維持在10 m以內(nèi)。

5 結(jié)論和建議

本文通過(guò)鄂北工程消能井模型試驗(yàn)，確定了深筒式消能井底部沖擊壓力與流量、管口距及管口直徑的相關(guān)性及經(jīng)驗(yàn)公式，確定了鄂北工程推薦的管口距為1.5 m，消能井總深度維持在10 m以內(nèi)。同時(shí)，模型試驗(yàn)證明，筒式消能井在較大流量情況下底板的沖擊力較大，筒式消能井的適用范圍可適當(dāng)擴(kuò)大，具有較為廣闊的工程應(yīng)用前景。鄂北工程筒式消能井基礎(chǔ)為土基，消能井深度不宜太深，在基礎(chǔ)條件較好的條件下，筒式消能井的管口距可適當(dāng)加大。