闸前溢流井在胶东调水隧洞建设中的应用

2019-10-11王继涛

山东水利 2019年10期

王继涛

（山东省胶东调水局烟台分局，山东烟台 264000）

水利工程有压管路中常出现水锤现象，导致管道系统剧烈震动，危害系统安全性。在无水锤防护条件下，水泵机组等工程设备在断电或其他事故导致的突然停机情况下极容易产生爆管事故[1-3]。本文以胶东调水工程长距离引水隧洞建设为例，深入探讨闸前溢流井建设对减缓长距离隧洞水锤现象的应用，为其他区域长距离引水隧洞建设提供参考。

1 隧洞水锤计算模型

假设长距离引水隧洞源头初始水力压力为某一恒定值，水在管路中的水头损失主要为沿程水头损失，此时可采用管道恒定压力流动的基本方程对此过程进行计算，根据伯努利能量方程：

恒定流压情况下沿程阻尼损失按下式计算：

局部水头损失按下式计算：

式中：z为位置水头；P 为压强水头；hw、hf为水头损失；hj为局部水头损失；ζ为水头损失系数。

对长距离引水隧洞进行水力过渡参数的分析与求解的过程如下：

1）从既定时刻的恒定流开始，通过求解恒定流直接得出此时刻的水力参数，确定起始时刻的状态边界条件。2）采用特征线方法，利用已知结点的参数求解进出口以外的任何中间结点任意时刻的流量和水头，进出口结点可以利用一个特征线方程和边界约束方程求解，约束方程由基本边界确定。3）重复求解得到各个结点水力参数，直至输水系统过渡到恒定状态。

2 闸门突闭水锤特性分析

根据工程现场实际状况调查，引水隧洞全长约30km，上游洞口闸门快速关闭所需时间大约为5min，上游水库水位为20.0m，下游水位为10.0m，该隧洞沿线布置由通气孔JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4，合理分布在隧洞中间处，每个通气孔间距为6km。

2.1 无闸前溢流井工况下

图1为无闸前溢流井条件下测试时间内通气孔涌浪高度平均值随时间的变化趋势。由图1可知，在无闸前溢流井条件下，突然关闭闸门将会导致室内涌浪高度开始出现震荡，并在突然关闭的瞬间出现最大涌浪高度值，此时hmax=21.15m。随着闸门高度的持续下降，隧洞闸门逐渐闭合，此后通气孔涌浪高度的变化趋势接近于正弦函数波形，振幅均值A=0.99m，震荡下限均值hl=19.48m，震荡上限均值hh＝20.51m，震荡幅度较大。

图1无溢流井引水隧道涌浪检测

2.2 有闸前溢流井工况下

图2 为有闸前溢流井条件下测试时间内通气孔涌浪高度平均值随时间的变化趋势。由图2可知，在有闸前溢流井条件下，突然关闭闸门也会导致室内涌浪高度的震荡，并在突然关闭的瞬间出现最大涌浪高度值。相较于无闸前溢流井工况，此时hmax＝20.10m。而随着闸门高度的持续下降，隧洞闸门逐渐闭合，此后通气孔涌浪高度的变化趋势接近于正弦函数波形，振幅均值A＝0.36m，震荡下限均值hl＝19.82m，震荡上限均值hh＝20.18m，震荡幅度远小于无闸前溢流井工况。

图2 有溢流井引水隧道涌浪检测

分析认为：闸前溢流井能够对闸门突然闭合时产生的激素水力梯度的增大进行疏导，缓解了长距离引水隧洞内水压力激增的状况，从而使得管道内的震动幅度降低，水压力对管道的脉动荷载作用减小，有效地提高了闸门下降时引水隧洞的安全性。

2.3 引水隧洞内部应力分析

在沿管道每隔1km处预安装3个压力传感器，并通过线路进行实时数据监测，最后对每个点的各个传感器所得数据进行筛选并求取合理的平均值。图3为不同工况下沿引水隧道方向管道内壁最大压力与最小压力包络图。

图3 不同工况下沿引水隧洞的压力水头极值

由图3可知，不同工况下沿引水隧洞的最大水头压力值或最小水头压力值与管道长度均成线性关系，即随着隧洞长度的不断上升，有、无闸前溢流井情况下压力极值不断增长直到水流流出管道。进一步对比不同工况下的压力极值差异可知，无闸前溢流井条件下隧洞压力最大值始终大于有溢流井，压力最小值始终小于有溢流井。在隧洞末尾处，各极值均达到最大，此时，对于无溢流井工况，最大压力水头为24.75m，最小压力水头为15.36m；对于有溢流井工况，最大压力水头为21.73m，最小压力水头为18.84m，其极值差远小于无溢流井条件。由此可见，有溢流井情况下引水隧洞受力更加均匀且荷载更小，其安全性远高于无溢流井条件。