长距离输水工程溢流井及出水管道水力掺气试验研究

刘 瑶

(辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110003)

受气候条件影响，我国水资源时空分布不均，季节性和区域性差异较大，总体呈东多西少、南多北少的格局。新中国成立以来，为了促进水资源与区域发展相协调，党中央、国务院及各地区政府实施了南水北调、引黄入晋、引黄济青等多项长距离输配水工程。溢流井是输配水工程中非常关键的构筑物，尤其是在长距离输水工程中，由于输水管线较长，管径较大，建筑物结构复杂且较多，加之沿线地形条件复杂，地势起伏变化不定，需要在输水管沿线布设多个溢流井。溢流井在长距离输水工程中主要作用是调节流量，多用于输水工程检修、维护以及突发性事故输水应急处理等。

目前，水力掺气是容易产使输水管道产生负压和气阻效应，是影响输水工程效率和造成输水设施安全隐患的主要因素。由于水力掺气现象的复杂性和不确定性，目前国内外尚未建立成熟的水力掺气现象分析计算理论，无法实现数值分析和模拟，而对输水工程中溢流井水力掺气现象研究成果更是缺乏。本试验以某长距离输水工程中溢流井为例，通过建立物理模型，模拟原型水力条件，观测不同流量下溢流井及其下游连接管道水体掺气及管壁压力，并提出了优化方案，对于减免构筑物安全隐患，提高输配水效率等具有重要的实际意义。

1 溢流井原型设计方案

1.1 方案1

某长距离输水工程中溢流井呈马蹄形，溢流井正常工作水位208.90m，最高溢流水位211.0m，计流量为41.0m3/s。该溢流井主要包括进水管道、坚井、连接池、出水管道等。坚井和连接池采用钢筋混凝土结构，竖井高度31.2m，内径2.9m，连接池内部最大尺寸为22.10m(长度)×17.20m(宽)×4.0m(高)；进水管道内径为5.80m，出水管内径3.60m，材质均采用无缝钢管。溢流井工作时，水流通过进水管道进入竖井，当竖井水位超过井口高程209.50m时，水流进入连接池，通过末端出水管道将水排至指定地点，如图1所示。

图1 方案1溢流井结构图

1.2 方案2

在方案1的基础上，将连接池溢流池底板型式斜板式调整为平板式，调整后底板高程206.0m，出水管进口中心高程由204.90m变为207.97m，出水管道进口底部与连接池底板高程一致。调整后连接池内部最大尺寸为22.10m(长度)×17.20m(宽)×7.20m(高)，其它设计参数均保持不变，如图2所示。

图2 方案2溢流井剖面图

2 试验方案

2.1 模拟对象

为了保持模型与原型水力条件相似，选取原型进水管道、坚井、连接池、出水管道作为模拟对象，同时考虑到水力掺气现象与进水管道、竖井及出水管道长度无关，分别截取进水管道、竖井和出水管道长度300m进行模拟。

2.2 模型类型及比尺

本试验采用正态、恒定流模型，其中长度比尺Lr=10，面积比尺Ar=100，体积比尺Vr=1000，压强比尺Pr=10，流量比尺Qr=316.23。

2.3 模型材料及精度控制

目前，水工模型材料可选用木材、水泥、有机玻璃、塑料和金属材料等，为了便于观测水力现象，模型采用无色有机玻璃制作。模型采用分体制作，几何断面制作采用数控机床切割。模型制作和安装精度按SL/T155—2012《水工(常规)模型试验规程》相关要求进行控制，高程误差为±0.3mm，平面距离误差为±10mm；水准仪基点精度控制在±0.30mm，

2.4 观测方法

模型流量观测采用英国Katronic公司生产的超声波流量计(型号KATflow200)，过程校准精度±0.5%。压力观测采用测压管，测压孔内径2.0mm，测读精度控制在3.0mm；水力掺气现象采用高倍摄像机记录并结合专家现场分析的方式。

2.5 试验组次

原型设计流量41.0m3/s，本试验基本上按原型流量每增加2.0m3/s为1个组次，同时适当外延1组流量，共设置21个流量组次，并按流量比尺Qr=316.23换算成模型流量进行放水观测。试验组次见表1。

3 试验成果对比分析

方案1：在2～45m3/s流量区间，连接池内水体产生掺气现象，在连接池末端出水口附近掺气现象较为严重，随着流量的增加，掺气量越大。当进水管道流量达到或大于设计流量时，在出水管道产生气阻，并在进口附近伴随气穴产生，气穴中心位于管道两侧偏下。气穴中心点压强值随着流量的增加，压强变小。当流量达到16m3/s负压较为明显，并产生脉动压强，当达到工程设计流量41m3/s时，压强为-0.70m水柱。分析主要原因是水体经斜板式连接池底板后，势能转化为动能，水流流速增大，与连接池边壁和连接池内柱体产生撞击，致使水流发生紊乱，同时造成水体掺气量过大。

方案2：在2～45m3/s流量区间，连接池内水流平稳，仅在连接池竖井周边产生水体掺气现象，随着流量的增加，掺气量越大，但随着水体流动，气体很快溢出水面，未随水体进入出水管道内。出水管道未产生气阻、气穴及负压现象。

方案1与方案2出水管道进口压力观测结果如图3所示。

图3 出水管道进口附近压强曲线

4 结语

通过本试验可以看出，在2.0～45.0m3/s流量区间，方案1连接池内水体流速较大，水流紊乱，连接池末端出水口附近水力掺气较为严重，出水管道进口附近管壁有负压和脉动压强产生，流量越大，上述现象越明显，将会影响输水效率，对构筑物产生破坏，影响输水工程安全运行。方案2连接池内水流平稳，流速较小，在连接池竖井周边易产生水力掺气，掺气量较小，未对连接池体及出水管道产生不利影响。

综上分析，长距离输水工程溢流井及出水管道水力掺气受流量、流速、连接池体型及出水管道进口形式等影响较大。为避免或减轻水体掺气，溢流井宜采用大体型，控制连接池水体流速，尽可能使连接池与出水管道平滑连接。