水库倒虹吸管结构稳定及过流能力复核

孔凡盛

(横峰县水利局,江西 上饶 334300)

1 问题的提出

近年来,倒虹吸水工建筑物在国内水库等水利工程中的应用日益广泛,学术界对倒虹吸结构优化设计及安全运行的研究也逐渐增多。但是,倒虹吸管进水口前部来水流量控制问题却始终未能得到较好解决,因来水流量过小而引发的水跃、水面波动、水流紊动等问题普遍存在,十分不利于倒虹吸管稳定运行。文章以横峰县黄源水库排水倒虹吸管为例,对以上问题展开试验研究及结构稳定、过流能力复核。

横峰县黄源水库位于信江岑港河支流的铺水上游,是一座以灌溉为主兼顾发电等综合效益的中型水利工程。坝址控制流域面积16.1km2,水库总库容1098.4×104m3,设计灌溉面积1000hm2,电站装机容量320kW。该水库倒虹吸管兴建于1965年,1968年初具规模,运行至今已逾50a,超出了《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》规定的合理运行年限。再加上该水工建筑物设计标准低、施工质量差,经过长期带病运行,整体功能下降,安全隐患突出。为此,必须展开该水库倒虹吸管结构安全复核及稳定计算,在掌握倒虹吸管运行状况的基础上,为除险加固设计提供依据。

2 试验设计

按照1∶30的正态比尺构建该水库倒虹吸管模型,平面结构见图1。倒虹吸管进水口前端为2.3m长、顶宽0.8m、底宽0.4m的倒梯形明渠,0.32m长的过渡段通过斜坡与河道相连;斜坡和倒梯形明渠均为混凝土结构;倒虹吸管段设计长度为3.5m,并设置0.1m×0.1m的方形双孔,通过无色有机玻璃制成;倒虹吸管出水口和排水渠相连。

图1 倒虹吸管模型平面结构

流速通过UVP设备及单探头8MHz的采样频率测量,来水流量则通过三角堰控制;在倒梯形明渠前端安装稳水装置;为控制下游水深,在倒虹吸管出水口设置尾门;沿程水位通过水位测针测量。倒虹吸管进水口过渡段测量断面中,边坡坡比和斜坡坡比分别为1∶2和1∶5.92,在过渡段中共设置10个监测断面,依次编号为CS1～CS10,各断面均按照相等间隔设置在弧形收缩段。通过UVP信号采集端由下向上设定测点,直至水面。为避免倒虹吸管在不同来水流量下不满管,应将其进水口处CS10断面淹没水深设定为0m。为简化表述,将相关参数设定进空间中直角坐标系中,其中交界线中点为坐标原点,顺水流向为x轴,与渠道底部垂直且竖直向上为y轴,与水流向垂直为z轴。

3 试验结果

按照设计标准提出Q=0.003m3/s和Q=0.007m3/s两种试验工况,分别表示小流量和大流量,并通过改变上游来水流量,对过渡段内测量断面垂向流速展开实测,得到各断面水流横向分布特征,探求来水流量对倒虹吸管过流能力的影响程度。

根据对不同来水流量下过渡段内水流流态的模拟得出,倒虹吸管进水口前端水流存在不同程度的翻滚及气泡,造成这种现象的原因主要在于水流从急流向缓流过渡时引发水跃,进而改变水流流态[1]。此后随着来水流量的持续增大,水流持续移至斜坡面,因水跃而引发的水流翻滚现象得到一定程度改善。

3.1 过渡段内水面横向变化

不同来水流量下过渡段各断面水面横向变动趋势见图2,渠道中线用z=0cm表示,渠道左边壁和右边壁分别用z=10cm和z=-10cm表示。

(a)Q=0.003m3/s的小流量

由图可知,不同来水量下大部分断面右边壁水面比左边壁水面高;在Q=0.003m3/s的小流量下,断面水面线沿横向大幅度变化,尤其是CS03～CS06断面水流扰动现象十分明显,且水面线分布不对称;而CS07～CS10断面水流扰动小,水面线基本呈对称分布。水流沿斜坡段流动过程中势能持续向动能转化,动能的增大致使流经收缩断面的跃后水流能量持续耗减,由此原因造成各断面水流不同分布特征[2]。在Q=0.007m3/s的大流量下,全部断面水面线均沿横向小幅变化,说明过渡段内水面整体平缓波动,水流扰动减弱,水面线不对称分布情况也得到改善。造成这种现象的原因在于斜坡段坡度变化下,过渡段内水流会随上游来水量的持续增大而淹没一定长度的斜坡段,临界水跃也进而转变为淹没水跃,进水口前部水跃明显减缓,斜坡段所流经的水流动能减小,水流紊动程度持续减弱。

3.2 过渡段内水面沿程变化

依次在z=0cm、z=±4cm、z=±8cm等处进行过渡段内实际水深的量测,根据量测结果反映水面沿程变化趋势。斜坡段水面下跌急剧,且经过x=0cm的位置后水面线由高降低,说明来水流量不同的情况下,斜坡段和过渡段衔接部位存在明显的水跃。而在x=8cm的位置,Q=0.007m3/s的大流量下水面线最高点降低,意味着大流量下水跃高度降低;较大的来水流量还会使水跃收缩断面(即水面线最低点)沿x轴偏移,说明临界水跃逐渐转变为淹没水跃,过渡段水流紊动显著改善。

通过以上分析表明,当过渡段较短时,强烈的水流紊动无法得到缓冲,紊动态势会一致延续至倒虹吸管进水口处,带动大量掺气水流进倒虹吸管,并使管内有效过水面积减小,无法达到倒虹吸管设计过流要求[3]。当来水流量较大时,水跃收缩断面位置偏向x轴负半轴,对于过渡段内水路紊动存在明显改善,表明这种水跃收缩断面位置的移动是有利的。斜坡段坡比减小也会使水跃收缩断面向坡面移动,进一步削弱过渡段内水流紊动。综上,应当延长原河道与倒虹吸管进水口过渡段连接的斜坡段长度,并适当减缓其坡度,对过渡段内水流紊动起到抑制作用,保证倒虹吸管输水效率。

3.3 过渡段内垂向流速变化

根据对Q=0.003m3/s和Q=0.007m3/s两种来水流量下过渡段内垂向流速变化趋势的分析,CS01～CS07断面位于曲率较小的弧形收缩过渡段,而CS08～CS10断面则位于曲率较大的平顺过渡段。不同来水流量下越靠近边壁的流速越大,各断面流速沿断面横向的变化并不对称,右边壁流速比左边壁流速略大。

在Q=0.003m3/s的小流量下,以CS01为弧形收缩过渡段典型断面,流速以较大跨度横向分布于断面,主要原因在于突然收缩断面上水流经过时会因流速的加大引发二次流,水面以下出现最大垂向流速;以CS09为平顺过渡段典型断面,流速分布较为均匀,也不存在二次流,最大垂向流速也从水面以下移动至水面。

在Q=0.007m3/s的大流量下,仍以CS01为弧形收缩过渡段典型断面,随着来水流量的增大,水跃点移向斜坡段,流速分布并不对称,并在较大来水流量下水深持续增大,收缩段长度减短,二次流也相应减弱;以CS09为平顺过渡段典型断面,仅少数位置流速较大,大部分位置流速均匀。

以上分析验证了倒虹吸管过渡段内水流流速分布受边壁结构的影响程度,临近边壁的水流紊动强度明显大于中线处水流紊动强度;垂向流速分布的不对称性使进水口处掺气水量增大,在减弱管内过流能力的同时,还会引发双孔道水压失衡,不利于倒虹吸管平衡输水。为此,必须加强水库倒虹吸管上游斜坡段纵坡控制。

4 倒虹吸管工程性能复核

在对水库倒虹吸管进水口过渡段流速分布展开试验的基础上,还必须进行倒虹吸管管身结构复核计算以及过流能力复核,以验证试验结果的准确性和可靠性。

4.1 管身结构复核

该水库倒虹吸管横向为封闭圆环形结构,管身为厚壁管,内外均承受均匀水压力作用时按照弹性力学平面问题处理,而受到荷载所引发内力等作用时则按照弹性中心法求解[4]。

该水库倒虹吸管为C25钢筋混凝土结构,横向钢筋为HRB335,按照20%的钢筋截面损失率考虑,配筋面积为606mm2。根据对钢筋面积不折减计算成果的对比看出,倒虹吸管横向结构强度复核结果符合现行规范。而引该水库建造年代久远,设计及施工条件较差,建设标准低,年久失修,混凝土裂缝、剥落、钢筋锈蚀、漏水、骨料外露等病害较为严重,笔者建议,将受力钢筋截面折减20%后再次进行复核计算,这种情况下管身横向结构强度不满足现行规范。

水库倒虹吸管水平段长40m,因跨路而架空设计,其正常运行过程中主要承受结构自重、水重等荷载,且无均布活载。计算绘制正常运行工况下弯矩包络图以及空管工况下弯矩包络图,倒虹吸管正常运行和空管运行时负弯矩最大为558.397kN·m和414.998kN·m。倒虹吸管为C25钢筋混凝土结构,纵向钢筋同样为HRB335,按照20%的钢筋截面损失率计算得实配面积为1126mm2。根据具体的计算分析,受力钢筋面积不折减时,倒虹吸管纵向强度符合现行规范;而在受力钢筋面积折减20%后,纵向强度不符合规范。考虑到该水库倒虹吸管建设时间较早,病害严重,钢筋面积折减20%更符合实际运行情况,故倒虹吸管管身纵向强度达不到规范要求。

4.2 过流能力复核

按照《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》,该水库倒虹吸管设计使用年限为50a,运行至今已逾50a。倒虹吸管槽身水流及管内水流均表现为压力管流流态,故按照压力管道公式计算过水能力:

(1)

z=hf+hj=(ξf+∑ξj)v2/2g

(2)

(3)

式中:Q为水库倒虹吸管流量设计值;μ为流量系数,为无因次量,取值大小与管内沿程摩擦损失和局部阻力损失有关;ω为倒虹吸管过水断面面积;z为总水头损失;hf为沿程水头损失;fj为局部水头损失;ξf为沿程阻力系数;∑ξj为局部阻力系数;v为倒虹吸管内流速均值。

在已知倒虹吸管轴线长、水头损失、断面尺寸等参数值的基础上,进行过水能力验算;并根据相关参数展开其过流能力复核,结果见表1。根据表中复核成果,倒虹吸管过流能力最大值取2.78m3/s,超出2.5m3/s的设计流量,意味着该水库现状倒虹吸管完全能按设计流量输水。

表1 倒虹吸管过流能力复核结果

5 结 论

综上所述,在两种来水流量下黄源水库倒虹吸管过渡段内水面线表现出横向左低右高的趋势规律;斜坡段纵坡既定情况下,水跃随上游来水量增大而持续减缓,水流紊动也明显减弱。过渡段内临近渠道边壁的水流流速明显大于临近渠道中线的水流流速,而垂向流速随着弧形收缩段曲率的减小而更加均匀。在此基础上,对黄源水库老旧倒虹吸管在基本组合和偶尔组合工况下管身横纵向结构稳定性及过流能力展开复核计算。在受力钢筋面积不折减的情况下,倒虹吸管横纵向结构强度均达到规范要求;将受力钢筋面积折减20%后,横纵向强度均达不到现行规范要求。目前,黄源水库倒虹吸管虽能按照设计流量输水,但是考虑到水工建筑物长期功能的稳定发挥,必须尽快对其实施维修加固;在加固设计时,应减小纵坡斜坡段、增大过渡段长度,以保证水流在进水口前部即达到均匀分布状态,防止因水流紊动而减弱倒虹吸管过流能力。