低水頭長距離輸水隧洞進出水口水力特性研究

何江華 張存慧 孟剛 劉圣凡 胡晗 候冬梅

摘要：輸水隧洞工程作為水資源配置的重要手段，其工程運行安全至關(guān)重要。在平原地區(qū)，引調(diào)水工程進/出水口水頭差低，水頭損失對干線輸水能力影響較大。對低水頭長距離輸水隧洞特點進行了總結(jié)，以羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，通過1∶18正態(tài)物理模型試驗研究了低水頭長距離輸水隧洞進/出水口水力特性。在多種運行工況下對進/出水口流態(tài)、壓力、水頭損失、門井波動、流速等參數(shù)進行了觀測分析，對出水口閘門局開綜合水頭損失系數(shù)進行了試驗，試驗手段及相關(guān)參數(shù)可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：低水頭； 輸水隧洞； 進/出水口； 水力特性

中圖法分類號： TV132

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.043

0引 言

引調(diào)水工程中，輸水隧洞設(shè)計通常利用進/出水口水位差進行有壓輸水，其中隧洞進/出水口多以水平型式為主［1］，具有布置簡單、水流流態(tài)穩(wěn)定、便于施工及易于檢修等優(yōu)點。對于低水頭長距離輸水隧洞，與電站引水隧洞對比后發(fā)現(xiàn)前者有以下特點：

（1） 雙向過流。輸水隧洞為滿足沿線水廠供水，存在雙向過流工況，如隧洞出水口在特殊工況下作為進水口反向供水。出水口正常運行水流需要平順擴散，反向供水時要使水流平順收縮，需要進行合理的體型設(shè)計。

（2） 淹沒深度小。為滿足自由出流且保障閘門盡量全開運行，輸水隧洞進/出水口淹沒水深通常相對較小，當(dāng)進水口的淹沒深度低于臨界淹沒水深，可能會出現(xiàn)吸氣漩渦或攜氣進入管道，威脅工程安全運行。

（3） 出水口庫底易受沖刷。在設(shè)計工況以外，存在出水口低水位大流量運行的可能，需考慮最不利因素對出水口庫底進行相應(yīng)防護。

總結(jié)前人研究經(jīng)驗，在設(shè)計進/出水口體型應(yīng)該滿足以下各項水力特性的要求［2］：

（1） 在進流各種運行條件下，進水口上方不產(chǎn)生有害漩渦；

（2） 出流時保證水流平穩(wěn)擴散；

（3） 在各種運行條件下，進/出水口水頭損失均較小，避免整個系統(tǒng)的總運行效率下降；

（4） 運行時，進/出水口水庫內(nèi)水流流態(tài)良好，出水口庫底與岸邊不會受到?jīng)_刷。

本文以羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞進/出水口建筑物為例，對低水頭長距離輸水隧洞進/出水口的水力特性進行研究。

1工程概況

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內(nèi)兩項配套項目之一，工程位于深圳市西部城區(qū)，輸水隧洞自寶安區(qū)松崗鎮(zhèn)東北部羅田水庫取水，由北往南，將西江水引入鐵崗水庫［3］。隧洞沿途分別向羅田水廠、五指耙水廠、長流陂水廠及鐵崗水庫輸水，線路布置如圖1所示。羅鐵隧洞輸水干線長約21.7 km，過流斷面直徑5.2 m。

羅鐵隧洞工程進水口采用塔式進水口，由攔沙坎、引水渠、進水塔組成，如圖2所示。攔污柵為平面直立活動式攔污柵，孔口尺寸為7.0 m×15.6 m（寬×高，下同），攔污柵底坎高程17.5 m。攔污柵后設(shè)置一道分層取水疊梁門，孔口尺寸為7.0 m×14.1 m。檢修閘門孔口尺寸5.2 m×5.2 m，事故閘門孔口尺寸5.2 m×5.2 m。檢修閘門和事故閘門間布置羅田水廠支線進口，進口設(shè)置一道檢修閘門，孔口尺寸為3.2 m×3.2 m。檢修閘門右側(cè)設(shè)羅田水廠備用取水口，相應(yīng)孔口尺寸為3.2 m×3.2 m。

羅鐵輸水隧洞工程出水口采用塔式出水口，如圖3所示。除滿足正常運行期間的供水需求外，還要滿足珠三角工程檢修期間沿線水廠、鐵崗水庫的功能。出水塔（閘室段）順?biāo)飨蛞来尾贾脻u變段、閘門段、喇叭口段、攔污柵段。

2模型試驗規(guī)劃

2.1模型設(shè)計

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，為1∶18正態(tài)模型，模型水流雷諾數(shù)為7.5×105，韋伯?dāng)?shù)為273，可滿足漩渦模擬相似。糙率比尺為181/6=1.619，原型隧洞管段糙率為0.012～0.015，要求模型相應(yīng)的糙率為0.007 4～0.009 3，選用有機玻璃制作隧洞進、出口段模型，其糙率滿足相似要求［4］。

2.2模型布置

模型模擬范圍包括：輸水隧洞進口羅田水庫局部（寬110.0 m，長150.0 m）；輸水隧洞出口鐵崗水庫局部（寬90.0 m，長160.0 m）；輸水隧洞進水口段、出水口段，沿線水廠流量模擬。模擬干線隧洞長160.0 m，在分水支線上通過控制閥、流量計控制總流量和分流量，干線隧洞中增加阻力閥，通過調(diào)節(jié)阻力閥使主隧洞沿程的水頭損失與實際值相等。

模型總體規(guī)模：寬6.0 m，長26.0 m，高2.0 m。模型布置如圖4所示。

時均壓力用測壓排系統(tǒng)測量，流速用旋槳流速儀測量，流量通過量水堰、電磁流量計控制，水位用水位測針測量，水面波動用鋼尺測量，流態(tài)采用示蹤粒子加相機拍攝。

2.3試驗工況

模型試驗工況根據(jù)設(shè)計及輸水隧洞可能的糙率變化情況（工程運行初期糙率為0.012，后期糙率為0.015）擬定，進行了正常運行工況、主隧洞檢修工況、隧洞加大流量輸水工況分類，見表1～3。

3進水口水力特性

3.1正常運行工況

隧洞進水口前局部水域受汊灣河道地形及進水塔布置位置影響，進水口前形成較大范圍的平面回流，回流流速緩慢，水流平穩(wěn)，水面波動小。攔污柵-胸墻段存在局部回漩流態(tài)。在設(shè)計流量下，流速整體較小，隨疊梁門層數(shù)增加，門頂流速逐漸增加，同時門井波動由0.05 m增長到0.30～0.50 m左右。進水口基本呈現(xiàn)靜壓分布。

隧洞進水口段體型產(chǎn)生的水頭損失相對較小，但隨著疊梁門層數(shù)逐漸增加，水流通過疊梁門頂時產(chǎn)生的附加水頭損失明顯增加，如表4所列。

3.2主隧洞檢修工況

在主隧洞檢修工況下，干線部分關(guān)閉，羅田水庫水位為25.00 m，隧洞進水口流量為8.1 m3/s，通過羅田水廠支線B往羅田水廠供水。

進水口段流速總體較小，未見不良流態(tài)。由于羅田水庫水位為25.00 m，引渠前端渠底高程較高，水深相對較淺，流速相對較大，測點最大流速為0.7 m/s；坎頂流速為0.5 m/s，隧洞進口前右岸坡凸嘴處最大流速為0.89 m/s，如圖5所示。

由于隧洞進水口未放置疊梁門，其檢修閘門井及事故閘門井內(nèi)的水面波動均較小，水面波幅在0.05 m以內(nèi)。進水口段沿程時均壓力基本呈靜水壓力分布，隧洞有壓進水口段頂部沿程壓力值約為2.3×9.81 kPa，而有壓段洞底沿程壓力值約為7.5×9.81 kPa。

3.3隧洞加大流量輸水工況

在羅田水庫同一庫水位條件下，隨著隧洞輸水流量加大，隧洞進水口前流態(tài)趨于紊亂，胸墻前會出現(xiàn)不同程度的漩渦；在隧洞進水口流量為45 m3/s以上時，進水口前會出現(xiàn)持續(xù)性的立軸漩渦，并有氣團間歇進入有壓洞內(nèi)，對隧洞安全運行會產(chǎn)生不利影響［5］。

加大流量運行，隧洞進水口不放疊梁門時，門井內(nèi)的水面最大波幅僅0.05 m；放置疊梁門后，門井波動最大達0.7～1.0 m，即隧洞進口前放置疊梁門是引發(fā)閘門井內(nèi)水面較大波幅的根源。

前述閘門井內(nèi)水面波動試驗成果，均是在門井中的閘門提離水面的情況下獲得的；檢修閘門平時是提離水面的。如果事故門井中的閘門處于隨時待命狀態(tài)，即事故閘門底緣處于洞頂附近時，門井內(nèi)的水面波幅會明顯減小，波幅降低在50%以上。具體試驗成果見表5。

4出水口水力特性

4.1正常運行工況

在隧洞出口流量12 m3/s、鐵崗水庫水位25.00～28.70 m條件下，隧洞出口段及與下游庫岸連接段的水流銜接平穩(wěn)，流速較小，水面基本無波動。由于隧洞出水口工作閘門全開，閘門井內(nèi)的水面平穩(wěn)，無明顯波動，波幅在0.05 m以內(nèi)。隧洞出水口段及庫岸區(qū)的流速均較小，各測點流速值未超過0.3 m/s。隧洞出水口有壓管段的平均流速小于0.6 m/s，流速水頭小于0.02 m，所以有壓管段沿程壓力分布平順，各測點的測壓管水頭基本平齊，洞頂最小壓力為5.8×9.81 kPa，洞底最小壓力為11.0×9.81 kPa。在隧洞出口流量12 m3/s、鐵崗水庫水位25.00 m時，出水口段總水頭損失為0.015 m；在隧洞出水口流量12 m3/s、鐵崗水庫水位28.7 m時，出水口段總水頭損失為0.013 m。

4.2主隧洞檢修工況

鐵崗水庫水位25.9 m、隧洞出口反向供水流量9.9 m3/s時，隧洞出水口變?yōu)檫M水口，此時洞口周圍出現(xiàn)輕微的表面回流，洞口前水流平順。洞口閘門井內(nèi)水面波動較小，波幅在0.02 m以內(nèi)。對隧洞洞口段各測點進行了壓力數(shù)據(jù)采集，各測點測壓管水頭基本平齊，壓力基本符合靜壓分布，閘門井內(nèi)水面波動較小，基本在0.02 m以內(nèi)。出水口綜合水頭損失為0.010 m。

4.3隧洞加大流量輸水工況

在鐵崗水庫水位低于23.00 m時，如對應(yīng)的羅田水庫水位為設(shè)計水位28.09 m和正常蓄水位33.09 m，隧洞出水口流量分劃可達27 m3/s和36 m3/s，水流流出開挖護坡護坦后均呈急流狀態(tài)。在鐵崗水庫水位24.00 m時，因水深相應(yīng)增加，庫底流速相應(yīng)有所減小，護坦出水口水流通過沖擊下游水體消能。出水口急流段寬度在25.0 m左右，出水口下游主要關(guān)注護坦后流速。在出水口流量16～36 m3/s、鐵崗水庫水位23.00 m條件下，護坦流速在2.0～2.6 m/s。護坦下游庫岸流速較大，對應(yīng)流速在3.8～4.35 m/s，需做相應(yīng)護坡處理。

5隧洞出水口閘門局開試驗

在上下游庫水位差大于設(shè)計值或引水流量減小時，需在出水口關(guān)閉工作閘門進行控泄。因為出水口為淹沒出流，把閘門局部開啟視作為局部水頭損失，通過試驗得到閘門不同開度下出水口部分的綜合水頭損失系數(shù)，如圖6所示。閘門運行過程中，通過上下游水位差，過流流量數(shù)據(jù)即可算出水口綜合水頭損失，進而求得綜合水頭損失系數(shù)，最終通過圖6初步確定所需閘門開度，為工程調(diào)度運行提供數(shù)據(jù)支撐。

6結(jié) 論

以羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞為例，對低水頭長距離輸水隧洞進出水口水力特性進行研究，結(jié)論如下：

（1） 在設(shè)計工況下，進/出水口附近流態(tài)良好。在特殊工況下，出水口可能出現(xiàn)低水位高流速，需重點關(guān)注，根據(jù)實際情況進行相應(yīng)防護。

（2） 由于流速相對較小，進/出水口整體水頭損失也較小，門井波動也較小。但是進水口增加疊梁門后，由于體型變化，流態(tài)變差，水頭損失、門井波動成倍增加，設(shè)計時需考慮疊梁門影響。

（3） 輸水隧洞進水口前、出水口后流速較小，進水口段、出水口段壓力符合靜壓分布。

（4） 試驗得出了隧洞出水口閘門不同開度的局部水頭損失系數(shù)，建立了閘門開度與局部水頭損失系數(shù)的關(guān)系，可為工程運行調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻：

［1］郝鑫，楊超林，王均星，等.低水頭有壓豎式進水口體型設(shè)計與模型試驗研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2020（8）：198-202，210.

［2］毛長貴.清原水庫側(cè)式進/出水口水力特性影響因素研究［D］.天津：天津大學(xué)，2018.

［3］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司.羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程初步設(shè)計報告（報批稿）［R］.武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，2021.

［4］長江水利委員會長江科學(xué)院.孟樓-七方倒虹吸工程進出口水工模型試驗研究報告［R］.武漢：長江水利委員會長江科學(xué)院，2016.

［5］陳云良.進水口前立軸旋渦水力特性的研究［D］.成都：四川大學(xué)，2006.

（編輯：郭甜甜）