深筒式消能井的冲击压力和管口距研究

张晋锋，王海波，翟静静

(1. 湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064； 2. 长江科学院，湖北 武汉 430070)

筒式消能井适用于小流量、高水头管口出流消能的情况[1]。侍克斌等通过实验得出了圆筒式消能井直径和井内水深计算的半经验公式[2]。孙秀峰等采用数值模型对筒式消能井内的流态、流速和压力进行了计算[3]，并得出了筒式消能井管口距合理范围[4]。侯守敬等，通过模型试验研究得出随着消能井深度和直径的增大，底板时均压强逐渐减小且分布趋于均匀，脉动压强频率峰值越低，越有利于结构稳定，消能效果越好[5]。其他学者通过模型试验和数值分析方法对筒式消能井的消能机理，结构尺寸等进行了研究[6-10]。高宗昌等通过设计和模型试验在克拉玛依林纸一体化项目中应用了筒式消力井[11]。筒式消能在国内应用上并不多见，目前的研究也限制在2 m3/s以内的小流量范围内，实际工程中管口出流消能采用筒式消能是较为简便的消能方式。为此本文对筒式消能井进行研究，以期得到较大流量下筒式消能井的设计参数。

鄂北工程单体最长的孟楼～七方倒虹吸总长72.149 km，设计流量为38 m3/s。压力管道为内径3.8 m的PCCP，三管同槽铺设，管道工作压力为0.4～0.8 MPa。倒虹吸全线设置15处放空系统，其中10处放空系统的消能采用了深筒式消能井。消能井处放空水头为8～23.5 m，放空流量为6～10.3 m3/s，消能井处放空管道直径1 m。消能井井深初拟为6.5～10 m，井宽初拟为5.6 m。由于目前筒式消能井的设计资料相对较少，为指导设计，本文进行了消能井的概化物理模型试验，通过分析和论证，提出了流量、管口距及管口直径的经验公式，并确定了筒式消能井的管口距。

1 模型设计与试验条件

根据消能井的布置、水力条件如水头、流量等设计了1∶10放空概化物理模型。模型放空管道采用10 cm有机玻璃管，消能井及消力池等采用有机玻璃制作。模型模拟范围包括部分放空管道、消能井及下游渠道。模型照片见图1。

图1 放空系统概化模型

模型流量采用矩形薄壁堰量测，上、下游水位采用水位测针量测，水面线采用钢尺量测。

张宗孝等通过研究消能井井深变化下的水利特征得出井深与井直径的比值为1.5时较为合理[3]。本文固定井宽5.6 m，通过物理模型试验确定不同井深H、管口距△、流量Q下消能井内各个水力学参数的关系，在各个流量下分别拟定了管口距0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 m和5.5 m的试验条件，共60组试验工况。

2 冲击压力特性

对于垂直射流，消能井底板上的冲击压力分布一般成正态分布，在壁射流冲击区，冲击压力大，在旋滚掺混区，冲击压力小，以底板对应的管口中心点处(以下简称中心点)的冲击压力最大，底板冲击压力示意见图2。

图2 底板冲击压力分布图

试验数据及经验公式的推导都是在消能井充满水的条件下进行的。不同管口距的消能井底板中心点的冲击压力见表1。10 m井深时不同管口距的消能井底板中心点的冲击压力见图3。从表1和图3可以看出，管口距、井深相同时，消能井底板中心点冲击压力随着流量的增大而增大；流量、井深相同时，冲击压力随着管口距的增大而减小。

图3 井深10 m时底板中心冲击压力图

表1 消能井底板中心点的冲击压力(×9.81 kPa)

相同管口距不同井深的消能井底板中心点的冲击压力见表1，1.5 m管口距时不同井深的消能井底板中心点冲击压力见图4。由表图可知，在相同流量和管口距情况下，底板中心点冲击压力随着井深的增大而略有减小，如Q=10.3 m3/s，△=1.5时，井深H分别为6.5、8.5、10 m时，消能井底板最大冲击压力为10.13×9.81、9.1×9.81、8.6×9.81 kPa。

图4 等管口距不同井深冲击压力图

3 冲击压力经验公式

消能井底板最大冲击压力Pmax与各物理量的关系式可表示为

Pmax=f(Q,D,Δ,g)

式中：Pmax为消能井底板中心最大冲击压力，9.81 kPa；Q为流量，m3/s；D为管径，m；Δ为管口距，m；g为重力加速度，9.8 m/s2。

图5 构造函数分析图

通过量纲分析构造Pmax与自变量之间的关系式

可采用函数关系式

式中a，b，c为常数。

图6 系数k与管口距拟合曲线

通过分析可得a=0.9415，b=-1.212，c=2。

则可得到Pmax与流量、管口距及管口直径的经验关系式

因本工程消能井前放空管道出口直径径固定为D=1 m，故此公式可简化为

4 管口距的确定

从表1和图3中也可以看出，随着管口距的增加，井底中心的压力不Pmax断减小，在管口距0.5～1.5 m区间，井底中心压力下降明显，其后井底中心冲击压力随管口距增加变化趋缓。

从试验数据可知，在管口距为1.5 m时，井底中心最大冲击压力为10.13×9.81 kPa；管口距为2.5 m时，井底中心最大冲击压力为9.95×9.81 kPa。井深由1.5～2.5 m时井底冲击压力变化不大。

从安全角度出发，管口距越大，井底冲击压力越小。但由于鄂北工程放空系统均位于土基上，放空管道本身埋深较深，加大管口距同时需要加深消能井深度，消能井结构亦随之加大，土质边坡处理、开挖及回填工程量均要加大。鉴于以上原因，鄂北工程设计推荐井底冲击压力适中的管口距为1.5 m，消能井总深度维持在10 m以内。

5 结论和建议

本文通过鄂北工程消能井模型试验，确定了深筒式消能井底部冲击压力与流量、管口距及管口直径的相关性及经验公式，确定了鄂北工程推荐的管口距为1.5 m，消能井总深度维持在10 m以内。同时，模型试验证明，筒式消能井在较大流量情况下底板的冲击力较大，筒式消能井的适用范围可适当扩大，具有较为广阔的工程应用前景。鄂北工程筒式消能井基础为土基，消能井深度不宜太深，在基础条件较好的条件下，筒式消能井的管口距可适当加大。