無壓輸水隧洞出口連接井水力流態試驗研究

張棟梁

(遼寧省水資源管理集團，遼寧 沈陽 110166)

1 工程概況

遼寧省重點輸供水工程3-3無壓輸水隧洞，洞徑6.30m，隧洞出口底高程209.2m，設計最大流量42.0m3/s(對應水位213.45m)。隧洞出口設不對稱水力連接井，井底高程202.40m，與隧洞出口高程差6.80m，井內設計液面與隧洞出口設計液面高程相同，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 試驗觀測

2.1 觀測點布設

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

圖2 連接井試驗模型觀測點布置圖

2.2 試驗組設定

根據工程目前實際運行工況，本次試驗分別采用單管線運行方式進行(A、B、C線任選其一)，在2.70～18.0m3/s流量區間內，每種流量設5組工況：2.70、7.45、12.0、16.0、18.0m3/s，共計15組試驗工況[7]。

2.3 觀測儀器

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

2.4 記錄儀器

為了更加全面地記錄與保留試驗結果，本次試驗選用記錄設備為記錄水位觀測數據的紙質版電子表格、記錄水流流態的攝像機和照相機、同時應用文字描述方式對試驗現象進行保存。

2.5 觀測方法

隨著流量及水位變化，連接井及出水管內水體會發生摻氣、漩渦、氣阻等水力現象。每組試驗中通過調節試驗管末端閥門，使水位緩慢升高，至上述水力現象消失/發生為止，觀測整個動態變化過程中連接井和下游出水管道中水體變化情況。

3 試驗成果分析

3.1 管A單獨運行

3.1.1連接井水力現象

(1)摻氣現象

同一水位下，在2.70～18.0m3/s區間內，隨著流量的增加，連接井內水體摻氣范圍不斷擴大、摻氣強度(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；各工況連接井右側摻氣范圍和摻氣強度均大于左側。當流量為2.70m3/s、水位209.0m時，以及流量為18.0m3/s、水位209.80m時，連接井內摻氣現象消失。如圖3所示。

圖3 18.0m3/s流量時連接井水體摻氣圖

(2)漩渦現象

根據試驗，連接井水位上升過程中，流量在2.70～7.45m3/s區間內，井內水體未產生漩渦；流量在12.0～18.0m3/s區間內，在連接井左前和右前側產生明顯漩渦，并引發少量摻氣，隨著流量遞增，發生漩渦和摻氣的范圍不斷擴大，且右前側漩渦和摻氣較左前側嚴重。

當流量為12.0m3/s、水位209.40m時，連接井左前側(長×寬×深)0.50m×0.50m×0.30m和右前側2.0m×1.50m×0.50m范圍內產生漩渦和摻氣，水位達到210.20m時漩渦消失。當流量為18.0m3/s、水位為209.80m時，連接井左前側5.0m×1.0m×2.0m和右前側3.8m×1.5m×4.0m范圍內產生漩渦和摻氣，水位達到210.50m時漩渦和摻氣現象消失。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水力現象觀測

(1)摻氣現象

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

(2)氣阻現象

管A單獨運行時，2.70～7.45m3/s區間內，連接井不同水位，管內水體無氣阻現象；12.0～18.0m3/s區間內，連接井水位達到出水管管頂高程206.80m以上時，管內水體開始出現氣阻現象，隨著流量增加和連接井水位升高，氣阻現象愈加嚴重。

3.2 管B單獨運行

3.2.1連接井水力現象

(1)摻氣現象

連接井水體摻氣現象及規律與管A單獨運行時相同。當流量2.70m3/s、水位209.10m時，摻氣現象消失；當流量18.0m3/s、水位210.10m時，連接井內摻氣現象消失。

(2)漩渦現象

連接井水體產生漩渦現象及規律與管A單獨運行時相同。當流量達到12.0m3/s時、連接井水位達到209.80m時，連接井左前側1.0m×0.5m×0.5m和右前側3.0m×1.0m×0.5m范圍內產生漩渦和摻氣現象；水位達到210.20m時漩渦和摻氣現象消失。當流量達到18.0m3/s、連接井水位達到209.50m時，在連接井左前側5.0m×2.0m×2.0m和右前側7.0m×3.0m×5.0m范圍內產生漩渦和摻氣現象；水位達到211.24m漩渦和摻氣現象消失。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水力現象觀測

(1)摻氣現象

在供水過程中，管B產生摻氣的原因、現象及規律與管A單獨運行時相同。流量為2.70、7.45m3/s，水位分別達到203.96、204.44m時，出水管內水體摻氣現象消失。當流量達到12.0、16.0、18.0m3/s時，出水管內水體摻氣現象消失時對應水位分別為210.20、210.75、211.24m。

(2)氣阻現象

管B單獨運行時，2.70～7.45m3/s區間內，不同水位時管內水體均無氣阻現象產生；在12.0～18.0m3/s區間內，當連接井內水位達到出水管管頂高程206.80m以上時，管內水體開始出現氣阻現象，隨著流量的增加和連接井水位的升高，氣阻現象愈加嚴重。

3.3 管C單獨運行

3.3.1連接井水力現象

(1)摻氣現象

連接井摻氣現象及規律與管A單獨運行工況相同。當流量2.70m3/s、水位達到208.90m時，摻氣現象消失；當流量18.0m3/s、水位達到209.80m時，連接井內摻氣現象消失。

(2)漩渦現象

連接井水體漩渦現象及規律與管A單獨運行時相同。當流量達到12.0m3/s、連接井水位達到209.80m時，連接井左前側2.5m×0.5m×0.5m和右前側4.5m×2.0m×0.5m范圍內產生漩渦和摻氣現象，水位達到210.50m時漩渦和摻氣現象消失。當流量達到18.0m3/s、連接井水位達到209.80m時，連接井左前側5.0m×1.0m×1.50m和右前側5.0m×1.50m×6.20m范圍內產生漩渦和摻氣，水位達到210.90m漩渦和摻氣現象消失。

3.3.2管C水力現象觀測

(1)摻氣現象

管C在供水過程中產生摻氣原因、現象及規律與管A單獨運行工況相同。流量為2.70、7.45m3/s、水位分別達到204.04、204.71m時，管內水體摻氣現象消失。當流量達到12.0、16.0、18.0m3/s時，管內水體摻氣現象消失時對應的水位分別為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)氣阻現象

管C單獨運行時，在2.70～7.45m3/s流量區間，連接井不同水位，管內水體無氣阻現象；在12.0～18.0m3/s區間內，當連接井內水位達到出水管管頂高程206.80m以上時，管內水體開始出現氣阻現象，且隨著流量的增加和連接井水位的升高，氣阻現象愈加嚴重。

4 試驗小結

4.1 連接井水力現象

根據試驗觀測，管A、B、C單獨運行時，在2.70～18.0m3/s區間內，連接井進水口與井內液面存在水力坡降，對液面及連接井內梁柱產生沖擊作用，井內水體摻氣；連接井右側摻氣范圍和摻氣強度均大于左側；同一水位，流量遞增，井內摻氣范圍不斷擴大、摻氣強度逐漸增加；同一流量，隨著連接井內水位升高，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區間內，連接井左前和右前側分別產生漩渦現象，并引起少量摻氣現象；水位逐漸升高，漩渦和摻氣現象隨之消失。如圖7所示。

圖7 連接井摻氣和漩渦現象消失時水位與流量關系

4.2 出水管水力現象

根據試驗觀測，管A、B、C單獨運行時，不同流量下，出水管內水體主要產生摻氣和氣阻兩種對結構安全不利的水力現象。管內水體摻氣主要有兩種原因：一是供水過程中連接井與管內液面存在高差，水流速度較大，沖擊致使管內水體摻氣。二是由連接井內摻氣及漩渦產生的氣泡隨水流進入管道內部所致。氣阻則是當連接井內水位達到或高于管頂高程一定范圍內，由于出水管內存在摻氣，對水流產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系

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

5 試驗建議

根據本次仿真模擬試驗結果，對今后的實際應用工作，提出以下建議：

(1)水體摻氣、漩渦現象的長期存在會對下游管道進氣和排氣產生不利影響，建議工程實際供水過程中，在保證供水量及構筑物結構安全的前提下，盡量使得連接井以較高水位運行，可減弱或消除井內摻氣及漩渦現象。

(2)為了減輕下游出水管內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水位提升至管頂上方一定高度，待摻氣和漩渦現象消失后，再加大供水流量。

(3)連接井內摻氣、漩渦現象的產生與工程型式和過水構筑物內部結構有直接關系，為了減輕不利影響，建議在今后的設計應用中，對連接井體型和梁板形狀等局部結構進行優化，盡量設計成圓形、流線形，并使工程結構盡可能對稱布置。

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

(5)本試驗結果與工程上下游水力條件、運行方式等因素密切相關，由于試驗條件有限，不能進行全程模擬，與實際工程相比存在一定差異，建議實際運行中應根據調度運行方式，加強原型觀測，加強對連接井和出水管路摻氣及氣阻等現象的巡查及監控，增設智能安全檢測設備，及時發現問題，采取有效措施，確保工程運行安全。