大型输水工程溢流竖井型式设计及过流能力研究

2018-07-18范远东

水利规划与设计 2018年6期

范远东

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110003)

1 概述

辽宁省重点输水工程为长距离大型输水工程，具有大口径、大流量、多分水口的典型特点。本工程三、四段输水线路总长367km，输水途径包括PCCP管、钢管、无压隧洞和压力隧洞等，采用无压隧洞——压力隧洞——单管——多管串联运行。整个输水路径起伏变化较大，管道管径DN3200～DN5800，隧洞具有马蹄形、圆形等多种断面，且在输水线路上设置有5座配水站和2条支线引水管道，整条线路水力系统非常复杂，根据水力过渡分析要求，为了保证输水系统事故时稳压安全，将线路输水运行进行分段控制，并在输水路径上设有3座稳压溢流井(池)。

其中养马大屯溢流竖井为1#稳压溢流井，前距无压洞3- 3出口13.20km(线路设置4组检修阀门)，后距2#稳压溢流池91km(线路设置3座配水站以及5组检修阀门)，负责约104km的输水线路水锤防护，线路布置示意图见图1、图2。

图1 无压隧洞3- 3～1#稳压井段线路布置示意图

根据工程总体布置，1#稳压竖井在整个线路中对系统的水锤防护起到了至关重要的作用，设计不当直接关系到整个工程的安全。为了保障工程运行安全，试验模拟1#稳压竖井在工程运行中的水力学条件，验证设计型式是否合理、可靠，同时为合理有效解决工程运行中可能存在的有关问题提供充分的水力学依据。

图2 1#稳压井～2#稳压池段线路布置示意图

图3 1#稳压竖井结构平面图

图4 1#稳压竖井结构剖面图

2 稳压竖井设计型式

1#稳压竖井中心桩号为C52+667.00m处，位于有压隧洞3- 7上，距隧洞3- 7进口365m，竖井直径为5.8m，竖井底隧洞中心高程为179.40m，竖井设计液面高程208.90m，井口高程为209.50m，最高溢流液面高程为211.0m，设计溢流量为41m3/s。

溢流井周围设连接池，发生溢流时，水通过连接池接入溢流管道排出。溢流池结构尺寸为23.6m×18.2.0m(宽×高)，池顶高程为212.20m，池底高程为208.00m，溢出水流经过溢流堰进入集水井，井底高程202.30m，并通过DN3600PCCP管接入水库库区。

1#稳压竖井结构设计图见图3、图4。

图5 稳压竖井模型测点布置图

3 模型比尺及测点布设

3.1 模型比尺

模型按重力相似准则设计，考虑试验场地条件，本工程模型试验采用正态恒定流模型，各物理量的比尺如下：

长度比尺：Lr=10

面积比尺：Ar=Lr2=100

体积比尺：Vr=Lr3=1000

流量比尺：Qr=Lr5/2=316.23

压强比尺：Pr=Lr=10

3.2 测点布设

稳压竖井模型共布设15个观测点位，其中水位测点12个，压力测点3个。12个水位测点分别布设在连接池底板4个断面上(测点编号A1、A2、A3、A4、C1、C2、C3)、溢流井壁(测点编号B1、B2、B3和B4)，连接池顶板(测点编号F)；3个压力测点分别布设在溢流管上(测点编号D、E、G)。见图5。

4 模型试验分析

4.1 稳压竖井水位～流量关系分析

根据试验观测结果，本工程设计流量41.0m3/s，最高溢流水位210.60m，距溢流池盖板最小距离1.40m，溢流井水流呈紊流型态，稳压竖井水位～流量管线曲线见图6。

图6 稳压竖井水位～流量关系曲线

在流量2.0～45.0m3/s区间，竖井水位～流量关系呈线性递增趋势，即随着流量的增大，溢流水位不断增高，同时盖板设计高程满足溢流井水位要求。

4.2 竖井连接池水位～流量关系分析

稳压竖井周围连接池底板(图5断面1- 1～断面3- 3)高程为208.0m，溢流管附近底板(断面4- 4)高程为202.30m，两高程间用斜式底板连接。工程设计流量41.0m3/s时，断面1- 1～4- 4及距盖板距离详见表1及图7。

表1 设计流量时竖井连接池断面1- 1～4- 4水位表

图7 设计流量时竖井连接池断面1- 1～4- 4水面线

在流量2.0～45.0m3/s区间，竖井连接池水位～流量关系呈线性递增趋势，同一流量下，断面1- 1水位较高，主要因为存在壅水现象。工程设计流量时，同时盖板设计高程满足溢流井水位要求。

4.3 压强分析

在溢流管上布设3个压强观测点位(测点编号：D、E和G)，其中D点位于溢流管正下方，与中心线垂直，距连接池壁700mm(原型7.0m)；E点位于溢流管正下方，与中心线垂直，距连接池壁70mm(原型0.70m)；G点位于溢流管侧下方，与中心线垂直，距连接池壁长度、溢流管底高度均为70mm(原型0.70m)。

(1)D点压强曲线

在流量2.0～45.0m3/s区间，D点压强值随着流量的增加呈线性递增趋势见图8。2.0～6.0m3/s为负压区，压强值为-0.21～-0.05m水柱，8.0～45.0m3/s为正压区，压强值为0.04～1.23m水柱；当流量达到45.0m3/s时压强最大，为1.23m水柱；工程设计流量41.0m3/s时，压强为1.11m水柱。