羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞輸水能力及糙率敏感性

楊旭良 謝良濤 周寧 李嬌娜 胡晗

摘要：輸水隧洞的輸水能力是由隧洞的糙率和沿程建筑物的局部水頭損失共同決定的。采用一維、三維耦合計算模型對羅因水庫—鐵崗水庫輸水隧洞的輸水能力進(jìn)行了研究，并考慮輸水管道內(nèi)壁淡水殼菜滋生對管道輸水能力的影響，進(jìn)行了糙率敏感性研究。研究結(jié)果表明：① 在隧洞糙率n取0.015 0的設(shè)計條件下，進(jìn)水口流量可達(dá)到30.12 m3/s，出水口流量可達(dá)到12.12 m3/s，滿足設(shè)計要求；② 糙率n與輸水隧洞總水頭損失大約呈線性關(guān)系，隧洞糙率每增加0.000 5，相應(yīng)輸水隧洞總水頭損失增加約0.17～0.19 m；③ 當(dāng)糙率增加到0.015 5時，隧洞輸水能力已不能滿足設(shè)計供水流量要求。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞； 輸水能力； 水工水力學(xué)； 數(shù)值模擬； 糙率

中圖法分類號： TV135

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.042

0引 言

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程（以下簡稱“羅鐵隧洞”）是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內(nèi)配套項目之一。工程主要建筑物包括：進(jìn)水口、出水口、輸水干線、與深圳分干線連通隧洞，至羅田水廠、五指耙水廠、長流陂水廠分水支線及3條檢修交通洞，羅田水庫應(yīng)急放空洞等。工程布置如圖1所示。

在工程設(shè)計階段需要對羅鐵隧洞的輸水能力進(jìn)行預(yù)測。輸水隧洞的輸水能力受隧洞的糙率和沿程建筑物的局部水頭損失共同影響。在輸水隧洞的設(shè)計中，糙率為非常重要的參數(shù)，直接影響輸水隧洞的過水能力。精確的糙率值往往需要通過現(xiàn)場原型觀測進(jìn)行反演計算來獲取［1-3］。在設(shè)計階段需要根據(jù)以往的工程經(jīng)驗對糙率進(jìn)行估計，并通過糙率對輸水能力的敏感性分析來對設(shè)計方案進(jìn)行評估。但是，在輸水隧洞的設(shè)計階段很難預(yù)估沿程一系列建筑物的局部水頭損失，特別是對于包含復(fù)雜的進(jìn)、出水建筑物和多個沿程分水支線的輸水隧洞。

設(shè)計階段對輸水隧洞輸水能力的預(yù)測，往往通過水力學(xué)計算、一維數(shù)學(xué)模型計算和水工模型試驗，而這3種方法均有其不足。水力學(xué)方法［4］和一維數(shù)學(xué)模型［5-6］可以準(zhǔn)確預(yù)估長距離輸水隧洞的沿程水頭損失，而無法精確預(yù)估復(fù)雜的進(jìn)、出水建筑物和沿程水工建筑物造成的局部水頭損失。羅鐵隧洞采用塔式進(jìn)水口和塔式出水口，且進(jìn)水口塔中還設(shè)置了分層取水疊梁門，因此難以通過水力學(xué)方法和一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確計算。大比尺水工模型試驗可以精確測量進(jìn)、出水建筑物和沿程水工建筑物造成的局部水頭損失，而由于縮尺效應(yīng)的影響，很難測量長距離輸水隧洞沿程水頭損失。針對這些不足，本次研究采用一維、三維耦合模型進(jìn)行計算，既能通過一維模型準(zhǔn)確計算隧洞主線的沿程水頭損失，又能通過三維模型針對一系列復(fù)雜水工建筑物計算其產(chǎn)生的局部水頭損失。

1模型構(gòu)建

上下游庫區(qū)及進(jìn)、出水口局部流場采用VOF三維模型進(jìn)行計算，重點關(guān)注庫區(qū)流場及進(jìn)、出水口的局部水頭損失。使用雷諾平均Navier-Stokes方程結(jié)合湍流模型進(jìn)行計算。

連續(xù)性方程：

xiuiAi=0（1）

動量方程：

uit+1VFujAjuixj=-1ρpxi+gi+fi（2）

式中：ui為x、y、z方向的速度；Ax、Ay、Az為計算單元x、y、z向面積；VF為各計算單元內(nèi)液體的體積分?jǐn)?shù)；ρ為液體密度；p為壓強(qiáng)；gi為重力加速度；fi為雷諾應(yīng)力。

為了準(zhǔn)確計算紊流，選擇RNG k-ε模型作為紊流計算模型。

隧洞主線及分水支線采用一維水力計算模型進(jìn)行模擬，重點研究沿線水力損失及隧洞糙率敏感性。一維水力計算模型基于圣維南方程組，通過反映質(zhì)量守恒定律的水流連續(xù)方程和反映動量守恒定律的運動方程進(jìn)行聯(lián)立求解，其計算表達(dá)式如下：

At+1BQt=qBut+xαu2A+gAZx+gSf+quA=0（3）

式中：A為過水?dāng)嗝婷娣e；Q為斷面流量；Z為斷面水位；x和u為輸水隧洞水平和橫向方向距離；g為重力加速度；t為時段計算步長；α為流速系數(shù)：Sf為水力學(xué)坡比；B為斷面水面寬度。采用Preissman四點加權(quán)差分方程對一維水動力學(xué)模型進(jìn)行求解。

羅鐵隧洞輸水干線長21.68 km，過流斷面直徑5.2 m。正常運行期間，從羅田水庫取水，沿程經(jīng)過羅田水廠支線、五指耙水廠支線和長流陂水廠支線分水，最終向鐵崗水庫供水。設(shè)計工況下，羅田水庫和鐵崗水庫水位差為3.08 m，輸水隧洞羅田水庫進(jìn)水口進(jìn)水流量30 m3/s，進(jìn)水口水位28.09 m，沿線分別向羅田水廠、五指耙水廠、長流陂水廠分水，相應(yīng)分水設(shè)計流量分別為8.1，3.5 m3/s和6.4 m3/s，鐵崗水庫出水口出水流量12 m3/s。羅鐵隧洞一維、三維耦合計算模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

進(jìn)水口采用塔式，位于羅田水庫內(nèi)，進(jìn)水塔順?biāo)飨蛞来尾贾脭r污柵段、疊梁門段、進(jìn)水倉段和喇叭口段、閘門段等，如圖3所示。

出水口同樣采用塔式，順?biāo)飨蛞来尾贾脻u變段、閘門段、喇叭口段、攔污柵段和出水渠段，如圖4所示。

2計算結(jié)果及分析

2.1局部水頭損失

局部水頭損失是指由局部邊界急劇改變導(dǎo)致水流結(jié)構(gòu)改變、流速分布改變并產(chǎn)生旋渦區(qū)而引起的水頭損失。對于羅鐵隧洞而言，進(jìn)水口段和出水口段的局部水頭損失定義為：從羅田水庫進(jìn)水口引水渠之前到進(jìn)水口測壓環(huán)面、出水口測壓環(huán)面到鐵崗出水口出水渠之后的水頭損失。局部水頭損失系數(shù)定義為局部水頭損失與計算部位平均流速水頭的比值。

通過一維、三維耦合模型計算得到了設(shè)計工況下（隧洞進(jìn)口流量30 m3/s，各支線分水流量合計18 m3/s，隧洞出口流量12 m3/s），進(jìn)水口段、出水口段的局部水頭損失，列于表1。

由表1可知，設(shè)計水位工況下，在進(jìn)水口放置3節(jié)疊梁門將增加的水頭損失約為0.160 m。

該工況下，將沿途支線分水產(chǎn)生的局部水頭損失計算結(jié)果列于表2。

由表1～2可知，設(shè)計工況下，由進(jìn)、出水口和沿途支線分水產(chǎn)生的局部水頭損失之和為0.289 m。

2.2沿程水頭損失

沿程水頭損失是指水流在隧洞中克服管線摩擦阻力而損失的水頭，糙率的選擇是計算輸水隧洞沿程水頭損失的關(guān)鍵。

取隧洞糙率n=0.015，計算輸水隧洞輸水干線沿程水頭損失。在設(shè)計工況下，從進(jìn)水口（圓形隧洞開端）至出水口（圓形隧洞末端）沿程各分段水頭損失如表3所列。可知，設(shè)計工況下，隧洞輸水干線沿程水頭損失之和為2.762 m。

2.3輸水能力分析

通過模型計算得知，在隧洞糙率n取0.015，設(shè)計條件下，即進(jìn)水口水庫水位28.09 m，出水口水庫水位25.00 m，羅田水廠支線設(shè)計流量為8.10 m3/s，五指耙水廠支線設(shè)計流量為3.50 m3/s，長流陂水廠支線設(shè)計流量為6.40 m3/s時，進(jìn)水口流量可達(dá)到30.12 m3/s，出水口流量可達(dá)到12.12 m3/s，可以滿足設(shè)計要求。

2.4隧洞糙率敏感性研究

由于珠江三角洲地區(qū)輸水管道中普遍容易附著生長一種淡水殼菜，導(dǎo)致管道糙率在運行一段時間后發(fā)生變化［7-8］。隨著運行時間的增加和管道內(nèi)壁淡水殼菜的繁殖，管道糙率會逐步增加；經(jīng)過停水檢修期，附著在隧洞內(nèi)壁的淡水殼菜死亡和脫落，對管道內(nèi)淡水殼菜清理后，管道糙率又恢復(fù)到或接近最初的糙率［9］。因此，需在一定范圍內(nèi)選擇管道糙率。

該工程全線采用壓力鋼管，糙率受鋼管內(nèi)防腐涂層及運行后生物附著和表面腐蝕等因素影響，其中，生物附著物對糙率的影響較大。考慮到工程運行初期管道內(nèi)壁尚未生長淡水殼菜，根據(jù)SL 279-2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》［10］，鋼管糙率可取0.011 0～0.013 0。輸水管道內(nèi)壁淡水殼菜滋生嚴(yán)重影響管道輸水能力，除定期清理外，尚無徹底解決措施。據(jù)國內(nèi)部分工程統(tǒng)計資料［11］（表4），淡水殼菜附著使管道糙率增加約16.06%～46.49%。

參照相關(guān)規(guī)范及同類工程經(jīng)驗，該工程糙率取值范圍定為0.014 0～0.016 0。

研究思路為，按設(shè)計工況設(shè)置固定的下游鐵崗水庫水位，給定上游來流流量30 m3/s，給定沿線羅田水廠、五指耙水廠、長流陂水廠分水支線流量分別為8.1，3.5，6.4 m3/s，反算上游羅田水庫庫水位，如果計算得到的水位低于或等于28.09 m，則表示該設(shè)計方案的隧洞輸水能力可以滿足要求；否則認(rèn)為該設(shè)計方案的隧洞輸水能力不能滿足要求。

通過一維、三維耦合計算模型計算羅鐵隧洞主線管道取不同糙率系數(shù)時的總水頭沿程變化曲線。計算水流條件為：鐵崗水庫水位為25.00 m，隧洞進(jìn)、出口流量及各分水口流量均為設(shè)計流量，成果如圖5所示。

水流在行進(jìn)過程中由于沿程水頭損失呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，在經(jīng)過進(jìn)、出水口和沿途支線分水后，由于局部水頭損失，總水頭均突然下跌。隨著隧洞主線管壁糙率增大，上游水位隨之升高，曲線也相對陡峭。當(dāng)糙率取為0.015 0時，輸水隧洞總水頭損失為3.051 m，小于羅田水庫與鐵崗水庫設(shè)計水位差（3.08 m），能滿足設(shè)計供水流量要求。當(dāng)糙率增加到0.015 5時，輸水隧洞總水頭損失為3.239 m，大于羅田水庫與鐵崗水庫設(shè)計水位差（3.08 m），在設(shè)計上下游庫水位條件下，如沿程各支線取水量保持不變，則進(jìn)水口流量為29.50 m3/s，出水口流量為11.50 m3/s，不能滿足設(shè)計供水流量要求。

在上述輸水流量條件下，隧洞不同糙率條件下的總水頭損失匯總?cè)鐖D6所示。

可知，糙率n與輸水隧洞總水頭損失大約呈線性關(guān)系，隧洞糙率每增加0.000 5，相應(yīng)輸水隧洞總水頭損失增加約0.17～0.19 m。

3結(jié) 論

本文采用一維、三維耦合計算模型研究了羅鐵隧洞的輸水能力和糙率敏感性，研究結(jié)果表明：① 在隧洞糙率取為0.015 0，設(shè)計條件下，進(jìn)水口流量可達(dá)到30.12 m3/s，出水口流量可達(dá)到12.12 m3/s，可以滿足設(shè)計要求。其中，由進(jìn)、出水口和沿途支線分水產(chǎn)生的局部水頭損失之和為0.289 m，隧洞輸水干線沿程水頭損失之和為2.762 m。② 糙率n與輸水隧洞總水頭損失大約呈線性關(guān)系，隧洞糙率每增加0.000 5，相應(yīng)輸水隧洞總水頭損失增加約0.17～0.19 m。③ 當(dāng)糙率增加到0.015 5時，在設(shè)計上下游水庫水位條件下，隧洞輸水能力將不能滿足設(shè)計供水流量要求。

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（編輯：郭甜甜）