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重要。在平原地區，引調水工程進/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，以羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，通過1∶18正態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、壓力、水頭損失、門井波動、流速等參數進行了觀測分析，對出水口閘門局開綜合水頭損失系數進行了試驗，試驗手段及相關參數可為類似工程提供參考。

關鍵詞：低水頭； 輸水隧洞； 進/出水口； 水力特性

中圖法分類號： TV132

文獻標志碼： A

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

0引 言

引調水工程中，輸水隧洞設計通常利用進/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、水流流態穩定、便于施工及易于檢修等優點。對于低水頭長距離輸水隧洞，與電站引水隧洞對比后發現前者有以下特點：

（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，當進水口的淹沒深度低于臨界淹沒水深，可能會出現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防護。

總結前人研究經驗，在設計進/出水口體型應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，進水口上方不產生有害漩渦；

（2） 出流時保證水流平穩擴散；

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

（4） 運行時，進/出水口水庫內水流流態良好，出水口庫底與岸邊不會受到沖刷。

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兩項配套項目之一，工程位于深圳市西部城區，輸水隧洞自寶安區松崗鎮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，進口設置一道檢修閘門，孔口尺寸為3.2 m×3.2 m。檢修閘門右側設羅田水廠備用取水口，相應孔口尺寸為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）順水流向依次布置漸變段、閘門段、喇叭口段、攔污柵段。

2模型試驗規劃

2.1模型設計

模型按重力相似準則設計，為1∶18正態模型，模型水流雷諾數為7.5×105，韋伯數為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，通過調節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

模型試驗工況根據設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，水面波動小。攔污柵-胸墻段存在局部回漩流態。在設計流量下，流速整體較小，隨疊梁門層數增加，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。進水口基本呈現靜壓分布。

隧洞進水口段體型產生的水頭損失相對較小，但隨著疊梁門層數逐漸增加，水流通過疊梁門頂時產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。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的水面波動均較小，水面波幅在0.05 m以內。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，隧洞進水口前流態趨于紊亂，胸墻前會出現不同程度的漩渦；在隧洞進水口流量為45 m3/s以上時，進水口前會出現持續性的立軸漩渦，并有氣團間歇進入有壓洞內，對隧洞安全運行會產生不利影響［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閘門井內水面較大波幅的根源。

前述閘門井內水面波動試驗成果，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，即事故閘門底緣處于洞頂附近時，門井內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，流速較小，水面基本無波動。由于隧洞出水口工作閘門全開，閘門井內的水面平穩，無明顯波動，波幅在0.05 m以內。隧洞出水口段及庫岸區的流速均較小，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，隧洞出水口變為進水口，此時洞口周圍出現輕微的表面回流，洞口前水流平順。洞口閘門井內水面波動較小，波幅在0.02 m以內。對隧洞洞口段各測點進行了壓力數據采集，各測點測壓管水頭基本平齊，壓力基本符合靜壓分布，閘門井內水面波動較小，基本在0.02 m以內。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，如對應的羅田水庫水位為設計水位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。在鐵崗水庫水位24.00 m時，因水深相應增加，庫底流速相應有所減小，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，對應流速在3.8～4.35 m/s，需做相應護坡處理。

5隧洞出水口閘門局開試驗

在上下游庫水位差大于設計值或引水流量減小時，需在出水口關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，如圖6所示。閘門運行過程中，通過上下游水位差，過流流量數據即可算出水口綜合水頭損失，進而求得綜合水頭損失系數，最終通過圖6初步確定所需閘門開度，為工程調度運行提供數據支撐。

6結 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，結論如下：

（1） 在設計工況下，進/出水口附近流態良好。在特殊工況下，出水口可能出現低水位高流速，需重點關注，根據實際情況進行相應防護。

（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，流態變差，水頭損失、門井波動成倍增加，設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，建立了閘門開度與局部水頭損失系數的關系，可為工程運行調度提供數據支撐。

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計與模型試驗研究［J］.中國農村水利水電，2020（8）：198-202，210.

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

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

［4］長江水利委員會長江科學院.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，2006.

（編輯：郭甜甜）