水庫(kù)倒虹吸管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及過(guò)流能力復(fù)核

孔凡盛

(橫峰縣水利局,江西 上饒 334300)

1 問(wèn)題的提出

近年來(lái),倒虹吸水工建筑物在國(guó)內(nèi)水庫(kù)等水利工程中的應(yīng)用日益廣泛,學(xué)術(shù)界對(duì)倒虹吸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行的研究也逐漸增多。但是,倒虹吸管進(jìn)水口前部來(lái)水流量控制問(wèn)題卻始終未能得到較好解決,因來(lái)水流量過(guò)小而引發(fā)的水躍、水面波動(dòng)、水流紊動(dòng)等問(wèn)題普遍存在,十分不利于倒虹吸管穩(wěn)定運(yùn)行。文章以橫峰縣黃源水庫(kù)排水倒虹吸管為例,對(duì)以上問(wèn)題展開(kāi)試驗(yàn)研究及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、過(guò)流能力復(fù)核。

橫峰縣黃源水庫(kù)位于信江岑港河支流的鋪水上游,是一座以灌溉為主兼顧發(fā)電等綜合效益的中型水利工程。壩址控制流域面積16.1km2,水庫(kù)總庫(kù)容1098.4×104m3,設(shè)計(jì)灌溉面積1000hm2,電站裝機(jī)容量320kW。該水庫(kù)倒虹吸管興建于1965年,1968年初具規(guī)模,運(yùn)行至今已逾50a,超出了《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的合理運(yùn)行年限。再加上該水工建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期帶病運(yùn)行,整體功能下降,安全隱患突出。為此,必須展開(kāi)該水庫(kù)倒虹吸管結(jié)構(gòu)安全復(fù)核及穩(wěn)定計(jì)算,在掌握倒虹吸管運(yùn)行狀況的基礎(chǔ)上,為除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照1∶30的正態(tài)比尺構(gòu)建該水庫(kù)倒虹吸管模型,平面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。倒虹吸管進(jìn)水口前端為2.3m長(zhǎng)、頂寬0.8m、底寬0.4m的倒梯形明渠,0.32m長(zhǎng)的過(guò)渡段通過(guò)斜坡與河道相連;斜坡和倒梯形明渠均為混凝土結(jié)構(gòu);倒虹吸管段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為3.5m,并設(shè)置0.1m×0.1m的方形雙孔,通過(guò)無(wú)色有機(jī)玻璃制成;倒虹吸管出水口和排水渠相連。

圖1 倒虹吸管模型平面結(jié)構(gòu)

流速通過(guò)UVP設(shè)備及單探頭8MHz的采樣頻率測(cè)量,來(lái)水流量則通過(guò)三角堰控制;在倒梯形明渠前端安裝穩(wěn)水裝置;為控制下游水深,在倒虹吸管出水口設(shè)置尾門;沿程水位通過(guò)水位測(cè)針測(cè)量。倒虹吸管進(jìn)水口過(guò)渡段測(cè)量斷面中,邊坡坡比和斜坡坡比分別為1∶2和1∶5.92,在過(guò)渡段中共設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,依次編號(hào)為CS1～CS10,各斷面均按照相等間隔設(shè)置在弧形收縮段。通過(guò)UVP信號(hào)采集端由下向上設(shè)定測(cè)點(diǎn),直至水面。為避免倒虹吸管在不同來(lái)水流量下不滿管,應(yīng)將其進(jìn)水口處CS10斷面淹沒(méi)水深設(shè)定為0m。為簡(jiǎn)化表述,將相關(guān)參數(shù)設(shè)定進(jìn)空間中直角坐標(biāo)系中,其中交界線中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),順?biāo)飨驗(yàn)閤軸,與渠道底部垂直且豎直向上為y軸,與水流向垂直為z軸。

3 試驗(yàn)結(jié)果

按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提出Q=0.003m3/s和Q=0.007m3/s兩種試驗(yàn)工況,分別表示小流量和大流量,并通過(guò)改變上游來(lái)水流量,對(duì)過(guò)渡段內(nèi)測(cè)量斷面垂向流速展開(kāi)實(shí)測(cè),得到各斷面水流橫向分布特征,探求來(lái)水流量對(duì)倒虹吸管過(guò)流能力的影響程度。

根據(jù)對(duì)不同來(lái)水流量下過(guò)渡段內(nèi)水流流態(tài)的模擬得出,倒虹吸管進(jìn)水口前端水流存在不同程度的翻滾及氣泡,造成這種現(xiàn)象的原因主要在于水流從急流向緩流過(guò)渡時(shí)引發(fā)水躍,進(jìn)而改變水流流態(tài)[1]。此后隨著來(lái)水流量的持續(xù)增大,水流持續(xù)移至斜坡面,因水躍而引發(fā)的水流翻滾現(xiàn)象得到一定程度改善。

3.1 過(guò)渡段內(nèi)水面橫向變化

不同來(lái)水流量下過(guò)渡段各斷面水面橫向變動(dòng)趨勢(shì)見(jiàn)圖2,渠道中線用z=0cm表示,渠道左邊壁和右邊壁分別用z=10cm和z=-10cm表示。

(a)Q=0.003m3/s的小流量

由圖可知,不同來(lái)水量下大部分?jǐn)嗝嬗疫叡谒姹茸筮叡谒娓?在Q=0.003m3/s的小流量下,斷面水面線沿橫向大幅度變化,尤其是CS03～CS06斷面水流擾動(dòng)現(xiàn)象十分明顯,且水面線分布不對(duì)稱;而CS07～CS10斷面水流擾動(dòng)小,水面線基本呈對(duì)稱分布。水流沿斜坡段流動(dòng)過(guò)程中勢(shì)能持續(xù)向動(dòng)能轉(zhuǎn)化,動(dòng)能的增大致使流經(jīng)收縮斷面的躍后水流能量持續(xù)耗減,由此原因造成各斷面水流不同分布特征[2]。在Q=0.007m3/s的大流量下,全部斷面水面線均沿橫向小幅變化,說(shuō)明過(guò)渡段內(nèi)水面整體平緩波動(dòng),水流擾動(dòng)減弱,水面線不對(duì)稱分布情況也得到改善。造成這種現(xiàn)象的原因在于斜坡段坡度變化下,過(guò)渡段內(nèi)水流會(huì)隨上游來(lái)水量的持續(xù)增大而淹沒(méi)一定長(zhǎng)度的斜坡段,臨界水躍也進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)檠蜎](méi)水躍,進(jìn)水口前部水躍明顯減緩,斜坡段所流經(jīng)的水流動(dòng)能減小,水流紊動(dòng)程度持續(xù)減弱。

3.2 過(guò)渡段內(nèi)水面沿程變化

依次在z=0cm、z=±4cm、z=±8cm等處進(jìn)行過(guò)渡段內(nèi)實(shí)際水深的量測(cè),根據(jù)量測(cè)結(jié)果反映水面沿程變化趨勢(shì)。斜坡段水面下跌急劇,且經(jīng)過(guò)x=0cm的位置后水面線由高降低,說(shuō)明來(lái)水流量不同的情況下,斜坡段和過(guò)渡段銜接部位存在明顯的水躍。而在x=8cm的位置,Q=0.007m3/s的大流量下水面線最高點(diǎn)降低,意味著大流量下水躍高度降低;較大的來(lái)水流量還會(huì)使水躍收縮斷面(即水面線最低點(diǎn))沿x軸偏移,說(shuō)明臨界水躍逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠蜎](méi)水躍,過(guò)渡段水流紊動(dòng)顯著改善。

通過(guò)以上分析表明,當(dāng)過(guò)渡段較短時(shí),強(qiáng)烈的水流紊動(dòng)無(wú)法得到緩沖,紊動(dòng)態(tài)勢(shì)會(huì)一致延續(xù)至倒虹吸管進(jìn)水口處,帶動(dòng)大量摻氣水流進(jìn)倒虹吸管,并使管內(nèi)有效過(guò)水面積減小,無(wú)法達(dá)到倒虹吸管設(shè)計(jì)過(guò)流要求[3]。當(dāng)來(lái)水流量較大時(shí),水躍收縮斷面位置偏向x軸負(fù)半軸,對(duì)于過(guò)渡段內(nèi)水路紊動(dòng)存在明顯改善,表明這種水躍收縮斷面位置的移動(dòng)是有利的。斜坡段坡比減小也會(huì)使水躍收縮斷面向坡面移動(dòng),進(jìn)一步削弱過(guò)渡段內(nèi)水流紊動(dòng)。綜上,應(yīng)當(dāng)延長(zhǎng)原河道與倒虹吸管進(jìn)水口過(guò)渡段連接的斜坡段長(zhǎng)度,并適當(dāng)減緩其坡度,對(duì)過(guò)渡段內(nèi)水流紊動(dòng)起到抑制作用,保證倒虹吸管輸水效率。

3.3 過(guò)渡段內(nèi)垂向流速變化

根據(jù)對(duì)Q=0.003m3/s和Q=0.007m3/s兩種來(lái)水流量下過(guò)渡段內(nèi)垂向流速變化趨勢(shì)的分析,CS01～CS07斷面位于曲率較小的弧形收縮過(guò)渡段,而CS08～CS10斷面則位于曲率較大的平順過(guò)渡段。不同來(lái)水流量下越靠近邊壁的流速越大,各斷面流速沿?cái)嗝鏅M向的變化并不對(duì)稱,右邊壁流速比左邊壁流速略大。

在Q=0.003m3/s的小流量下,以CS01為弧形收縮過(guò)渡段典型斷面,流速以較大跨度橫向分布于斷面,主要原因在于突然收縮斷面上水流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)因流速的加大引發(fā)二次流,水面以下出現(xiàn)最大垂向流速;以CS09為平順過(guò)渡段典型斷面,流速分布較為均勻,也不存在二次流,最大垂向流速也從水面以下移動(dòng)至水面。

在Q=0.007m3/s的大流量下,仍以CS01為弧形收縮過(guò)渡段典型斷面,隨著來(lái)水流量的增大,水躍點(diǎn)移向斜坡段,流速分布并不對(duì)稱,并在較大來(lái)水流量下水深持續(xù)增大,收縮段長(zhǎng)度減短,二次流也相應(yīng)減弱;以CS09為平順過(guò)渡段典型斷面,僅少數(shù)位置流速較大,大部分位置流速均勻。

以上分析驗(yàn)證了倒虹吸管過(guò)渡段內(nèi)水流流速分布受邊壁結(jié)構(gòu)的影響程度,臨近邊壁的水流紊動(dòng)強(qiáng)度明顯大于中線處水流紊動(dòng)強(qiáng)度;垂向流速分布的不對(duì)稱性使進(jìn)水口處摻氣水量增大,在減弱管內(nèi)過(guò)流能力的同時(shí),還會(huì)引發(fā)雙孔道水壓失衡,不利于倒虹吸管平衡輸水。為此,必須加強(qiáng)水庫(kù)倒虹吸管上游斜坡段縱坡控制。

4 倒虹吸管工程性能復(fù)核

在對(duì)水庫(kù)倒虹吸管進(jìn)水口過(guò)渡段流速分布展開(kāi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,還必須進(jìn)行倒虹吸管管身結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算以及過(guò)流能力復(fù)核,以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.1 管身結(jié)構(gòu)復(fù)核

該水庫(kù)倒虹吸管橫向?yàn)榉忾]圓環(huán)形結(jié)構(gòu),管身為厚壁管,內(nèi)外均承受均勻水壓力作用時(shí)按照彈性力學(xué)平面問(wèn)題處理,而受到荷載所引發(fā)內(nèi)力等作用時(shí)則按照彈性中心法求解[4]。

該水庫(kù)倒虹吸管為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),橫向鋼筋為HRB335,按照20%的鋼筋截面損失率考慮,配筋面積為606mm2。根據(jù)對(duì)鋼筋面積不折減計(jì)算成果的對(duì)比看出,倒虹吸管橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核結(jié)果符合現(xiàn)行規(guī)范。而引該水庫(kù)建造年代久遠(yuǎn),設(shè)計(jì)及施工條件較差,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低,年久失修,混凝土裂縫、剝落、鋼筋銹蝕、漏水、骨料外露等病害較為嚴(yán)重,筆者建議,將受力鋼筋截面折減20%后再次進(jìn)行復(fù)核計(jì)算,這種情況下管身橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足現(xiàn)行規(guī)范。

水庫(kù)倒虹吸管水平段長(zhǎng)40m,因跨路而架空設(shè)計(jì),其正常運(yùn)行過(guò)程中主要承受結(jié)構(gòu)自重、水重等荷載,且無(wú)均布活載。計(jì)算繪制正常運(yùn)行工況下彎矩包絡(luò)圖以及空管工況下彎矩包絡(luò)圖,倒虹吸管正常運(yùn)行和空管運(yùn)行時(shí)負(fù)彎矩最大為558.397kN·m和414.998kN·m。倒虹吸管為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),縱向鋼筋同樣為HRB335,按照20%的鋼筋截面損失率計(jì)算得實(shí)配面積為1126mm2。根據(jù)具體的計(jì)算分析,受力鋼筋面積不折減時(shí),倒虹吸管縱向強(qiáng)度符合現(xiàn)行規(guī)范;而在受力鋼筋面積折減20%后,縱向強(qiáng)度不符合規(guī)范?？紤]到該水庫(kù)倒虹吸管建設(shè)時(shí)間較早,病害嚴(yán)重,鋼筋面積折減20%更符合實(shí)際運(yùn)行情況,故倒虹吸管管身縱向強(qiáng)度達(dá)不到規(guī)范要求。

4.2 過(guò)流能力復(fù)核

按照《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》,該水庫(kù)倒虹吸管設(shè)計(jì)使用年限為50a,運(yùn)行至今已逾50a。倒虹吸管槽身水流及管內(nèi)水流均表現(xiàn)為壓力管流流態(tài),故按照壓力管道公式計(jì)算過(guò)水能力:

(1)

z=hf+hj=(ξf+∑ξj)v2/2g

(2)

(3)

式中:Q為水庫(kù)倒虹吸管流量設(shè)計(jì)值;μ為流量系數(shù),為無(wú)因次量,取值大小與管內(nèi)沿程摩擦損失和局部阻力損失有關(guān);ω為倒虹吸管過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;z為總水頭損失;hf為沿程水頭損失;fj為局部水頭損失;ξf為沿程阻力系數(shù);∑ξj為局部阻力系數(shù);v為倒虹吸管內(nèi)流速均值。

在已知倒虹吸管軸線長(zhǎng)、水頭損失、斷面尺寸等參數(shù)值的基礎(chǔ)上,進(jìn)行過(guò)水能力驗(yàn)算;并根據(jù)相關(guān)參數(shù)展開(kāi)其過(guò)流能力復(fù)核,結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表中復(fù)核成果,倒虹吸管過(guò)流能力最大值取2.78m3/s,超出2.5m3/s的設(shè)計(jì)流量,意味著該水庫(kù)現(xiàn)狀倒虹吸管完全能按設(shè)計(jì)流量輸水。

表1 倒虹吸管過(guò)流能力復(fù)核結(jié)果

5 結(jié) 論

綜上所述,在兩種來(lái)水流量下黃源水庫(kù)倒虹吸管過(guò)渡段內(nèi)水面線表現(xiàn)出橫向左低右高的趨勢(shì)規(guī)律;斜坡段縱坡既定情況下,水躍隨上游來(lái)水量增大而持續(xù)減緩,水流紊動(dòng)也明顯減弱。過(guò)渡段內(nèi)臨近渠道邊壁的水流流速明顯大于臨近渠道中線的水流流速,而垂向流速隨著弧形收縮段曲率的減小而更加均勻。在此基礎(chǔ)上,對(duì)黃源水庫(kù)老舊倒虹吸管在基本組合和偶爾組合工況下管身橫縱向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及過(guò)流能力展開(kāi)復(fù)核計(jì)算。在受力鋼筋面積不折減的情況下,倒虹吸管橫縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均達(dá)到規(guī)范要求;將受力鋼筋面積折減20%后,橫縱向強(qiáng)度均達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)范要求。目前,黃源水庫(kù)倒虹吸管雖能按照設(shè)計(jì)流量輸水,但是考慮到水工建筑物長(zhǎng)期功能的穩(wěn)定發(fā)揮,必須盡快對(duì)其實(shí)施維修加固;在加固設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)減小縱坡斜坡段、增大過(guò)渡段長(zhǎng)度,以保證水流在進(jìn)水口前部即達(dá)到均勻分布狀態(tài),防止因水流紊動(dòng)而減弱倒虹吸管過(guò)流能力。