锦州输水隧洞进口控制段水工模型试验研究

郭 锋，魏 冰

(1.辽宁省水利水电勘测设计研究院,辽宁 沈阳 110006;2.辽宁省水利工程技术审核与造价管理中心,辽宁 沈阳 110006)

1 工程概况

LXB供水二期工程可将LXB供水工程调入水量，输送给LXB重要城市、县城、工业园区等用户，促进水库、河湖水系连通，同时提供农村人饮和高效农业用水，并具备向周边地区供水的条件。锦州输水隧洞是LXB供水二期工程白石段隧洞的一部分，主要解决锦州市、二十家子工业园区及葫芦岛市城市生活、生产用水问题。

输水隧洞最大输水规模15.39m3/s，隧洞起点由输水主线压力隧洞洞末端取水竖井接引，终点位于小凌河左岸滩地上，隧洞全长35.06km，采用无压输水方式，隧洞断面型式为圆拱直墙型，断面尺寸为4.6m×5.25m(宽×高)，隧洞全部采用钻爆法施工，隧洞起点底板高程100.0m，出口底板高程97.0m，洞底纵坡0.086‰，洞内水深3.95m，净空高度1.30m，净空率20.1%。

2 进口控制段工程布置

压力隧洞洞末端取水竖井底高程74.0m，顶高程300.0m(地面)，竖井深226.0m，取水竖井在100.0m高程为锦州输水隧洞进口控制段，取水竖井内水位在103.95～123.43m间变动，为控制流量以及保证隧洞为无压流，实现有压流到无压流的平顺连接，进口控制段依次为进水洞、出口弧门控制段、消力池、稳流池。进口控制段总体布置见图1。

进水洞总长43.0m，4.0m×6.0m(宽×高)，进水洞进口段设喇叭口，16m处设事故检修闸门，上设事故检修闸门启闭机室，进水洞出口段设8.0m压坡段，出口处设弧形工作闸门，上设工作闸门启闭机室，出口弧门控制段长16.0m，宽4.0m；消力池长20.0m，深2.0m，消力池底板高程98.00m，前端宽4.0m，末端宽10.0m；稳流池长10.0m，宽10.0m，稳流池内设稳流堰保证下游隧洞为无压流，利用稳流堰与稳流池内水位的流量关系，通过控制稳流池水位实现过堰流量控制，以此达到在任何工况下都能保证输水线路按要求输水流量运行，稳流堰采用薄壁堰堰型，底高程100.00m，堰顶高程103.228m，堰长10.0m。

3 水工模型试验目的及内容

锦州输水隧洞进口控制段建筑物整体布置相对复杂、运行工况多、且已建成的类似工程很少，因此需要通过水工模型试验进行研究，以便验证各水力要素设计计算值，解决进口控制段总体布置、消能设施、稳流设施等相关技术问题，确保工程的运行安全。

3.1 试验目的

(1)通过模型试验研究，验证各水力要素设计计算值的正确性。

图1 进口控制段布置图

(2)通过模型试验研究，解决进口控制段总体布置、消能设施、稳流设施等相关技术问题，进一步完善和确认方案，提出优化方案，确保工程的运行安全。

(3)根据不同的进口引水水位，推荐出合理的进口建筑物消能布置型式及尺寸。

(4)通过模型试验研究，调整参数，观察流态情况，使消能建筑物满足引水时稳定洞内无压流的要求，并应尽量减小小流量引水对洞内的危害性。

3.2 试验内容

(1)根据设计提供的进口布置，推荐出合理的进口消能建筑物结构型式及尺寸，通过试验，调整设计参数，得到最佳水流状态。

(2)消能设施应满足不同频率水位下，各种引水流量的要求，确定满足不同调水规模的闸门开度、流态、流速、水面线，观察进口及洞内水面波动情况。

(3)当小流量引水及设计流量引水达到稳定流量时，给出洞内水深、流速及水流流态等水面曲线情况，给出最佳建议方案。

(4)对进水口漩涡情况进行观测。

4 模型的设计与制造

4.1 相似准则与模型比尺

模型采用正态模型设计，遵照重力相似准则，长度比尺为λl=10，按重力相似条件下的水力参数的换算关系以及对应的相似比尺见表1。

表1 重力相似条件下的各水力参数相似比尺

4.2 模型材料、制造与安装

为保证模型试验可以反映原型的水流的真实状况，在水工模型材料选择时首先要考虑的就是模型材料的糙率情况。虽然无需使模型材料的糙率完全满足相似的条件，但差异也不能过大，如果差异太大会直接影响试验结果的精密度。依据重力相似要求，原型建筑物(钢筋混凝土)的糙率np=0.014，按换算关系计算相似比尺，模型建筑物的糙率nm应为0.0095左右较为合适。根据以往试验的实测数据，有机玻璃的糙率一般在0.007至0.008之间，略小于计算的0.0095，因此，模型建筑物材料采用有机玻璃，能够满足试验要求。

模型的安装要求：布置平面导线时应根据模型的具体形状和范围来确定，采用经纬仪对导线的方位进行控制，允许的偏差范围为±0.1°；采用水准仪对模型高程进行控制，需满足精度控制的具体要求。

模型的精度控制要求：模型水准基点和测针零点允许的误差范围为±0.3mm；模型高程允许的误差范围为±0.3mm；模型地形高程允许差的范围为±2mm，平面距离允许误差的范围为±10mm。

安装完成的整体水工模型见图2。

图2 安装完成的整体水工模型图

4.3 试验测试手段及测试仪器

(1)供水系统设施

水工模型试验供水系统由蓄水设施(蓄水池)，动力机械泵，调节水塔，配水管以及回水槽等设施组成。

(2)试验量测仪器

恒定流水位采用水位测针及水位跟踪仪进行测定；恒定流时均压力采用智能监测系统、多功能监测系统及压力传感器进行测定；水流流速采用便携式流速仪进行测量；恒定流流量采用矩形量水堰进行测量。

5 模型试验研究

5.1 试验工况及综合流量系数计算结果

按照低水位闸门全开及高水位闸门局开共设计九种工况进行模型试验研究，各工况基本数据及综合流量系数计算结果见表2。

5.2 工况九模型试验结果

从上表可以看出，取水竖井内水位高时，闸门开度小，上下游水头差大，因此，工况九应为最不利工况。

(1)水流流态

工况九弧形闸门处水流流态、消力池内水流流态、消力池出口水流流态见图3～图5。

表2 各试验工况综合流量系数计算结果

图3 弧形闸门处水流流态

图5 消力池出口水流流态

图7 水面线分布图

(2)压力分布

模型沿程共设置了33个压强测点(有压段设置21个测点，无压段设置12个测点)，工况九下各压强测点实测水头值见表3，底板测点分布情况见图6。

表3 工况九各测点压强水头值

(3)水面线分布

工况九水面线分布情况见图7。

5.3 分析闸门局开时各个工况的流量系数与开度e的关系

根据流量系数的计算结果，以闸门开度e为横坐标，以综合流量系数为纵坐标绘制闸门开度与综合流量系数关系曲线，如图8所示。

图8 闸门开度与综合流量系数关系曲线

图9 闸门局开时的水位与综合流量系数关系曲线(下游控制水位103.95m)

5.4 分析闸门局开时各个工况的流量系数与水位的关系

根据下游控制水位为103.95m时的综合流量系数计算结果，以闸门局开时的水位为横坐标，以综合流量系数为纵坐标水位与综合流量系数关系曲线，如图9所示。

6 结论

(1)实测压力表明，各工况下，无压隧洞进口控制段沿程各压力测点没有负值出现，由压力分布图能够反映出压力分布符合压力特性。由试验实测数据可知，各工况下流速分布规律相同，与Fr数的分布规律相似。

(2)闸门局开时，实测取水竖井内7个水位分别为：106.03m、108.01m、110.24m、112.52m、115.21m、122.27m和123.43m，其对应的消能率分别为：33.33%、50.98%、61.66%、68.89%、74.46%、82.81%和83.37%。从消能率可以看出，消力池的消能效果很好。

(3)所有工况下取水竖井内水面波动很小，没有漩涡现象出现。水流从明流到满流状态能够平稳过渡，取水竖井内水深变化最高不大于0.1m，且水面非常平稳，不会危害控制段进水口的安全运行。

(4)所有工况下，控制闸门处全部为淹没出流，淹没度随着竖井内水位上升而上升，随着闸门开度的减小而减小。

(5)消力池内水深受稳流堰和无压隧洞内水深限制，因为隧洞内为明流，水深始终控制在3.95m，所以消力池内的水深保持恒定，消力池内水面的波动随着取水竖井内水位的升高逐渐加大，低水位106.03m时，池内水深为6.21m，消力池前端水面波动范围在0.3m左右，消力池末端波动在0.2m左右；当水位达到123.34m时，池内水深略有增加为6.24m，消力池前端水面波动范围在1.1m左右，消力池末端波动在0.7m左右。

(6)无压输水隧洞内水面高程一直控制在3.95m，随着取水竖井内水位的升高，无压洞内水面线波动逐渐增大，竖井内水位为106.03m时，水面沿3.95m高程线上下波动，最大波动范围为±0.06m，竖井内水位为123.34m时，水面沿3.95m高程线上下波动，最大波动范围为±0.35m，各种工况下隧洞内有足够净空，均能满足引水时稳定洞内无压流的条件。

(7)通过试验绘制的闸门开度与综合流量系数关系曲线、水位与综合流量系数关系曲线对工程运行管理可以起到指导性作用。

(8)试验结果表明，所有试验工况下流态良好，能满足设计要求。

[1] 李炜. 水力计算手册[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006．

[2] 刘亚坤. 水力学[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2008．

[3] 凌金龙. 闸门局开时输水隧洞的水力特性研究[D]. 大连理工大学硕士论文, 2015．

[4] 赵秀凤. 引水隧洞内消能问题的研究[D]. 华北水利水电学院, 2006．

[5] 金哲, 王长新, 邱秀云. 深孔闸门后无压隧洞内消能工水流流态的数值模拟[J]. 新疆农业大学学报, 2007, 30(03): 82- 86．

[6] 刘金云, 夏才初. 输水隧道动力模型试验中相似比尺规律的探讨[J]. 地下空间与工程学报, 2013, 9(03): 510- 517．

[7] 张明义, 陈晓梅. 温泉水电站深孔泄洪洞水工模型试验研究[J]. 水利规划与设计, 2011(01): 33- 36．

[8] 李虹瑾, 魏敏, 侯杰. 隧洞洞内新型消能试验研究[J]. 东北水利水电 2007, 25(11): 56- 58．

[9] 陈晓东. 隧洞洞内消能设计与研究[J]. 甘肃水利水电技术, 2014, 50(08):26- 30．

[10] 孙洪亮, 刘亚坤. 弧形闸门前漩涡特性研究[J]. 水利水运工程学报, 2017(02): 10- 15．

[11] 王成全. 南充干渠引水隧洞工程施工技术要点探究[J]. 水利技术监督, 2015, 23(06): 68- 70．