低水头长距离输水隧洞进出水口水力特性研究

何江华 张存慧 孟刚 刘圣凡 胡晗 候冬梅

摘要：输水隧洞工程作为水资源配置的重要手段，其工程运行安全至关重要。在平原地区，引调水工程进/出水口水头差低，水头损失对干线输水能力影响较大。对低水头长距离输水隧洞特点进行了总结，以罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程为例，通过1∶18正态物理模型试验研究了低水头长距离输水隧洞进/出水口水力特性。在多种运行工况下对进/出水口流态、压力、水头损失、门井波动、流速等参数进行了观测分析，对出水口闸门局开综合水头损失系数进行了试验，试验手段及相关参数可为类似工程提供参考。

关键词：低水头； 输水隧洞； 进/出水口； 水力特性

中图法分类号： TV132

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.043

0引 言

引调水工程中，输水隧洞设计通常利用进/出水口水位差进行有压输水，其中隧洞进/出水口多以水平型式为主［1］，具有布置简单、水流流态稳定、便于施工及易于检修等优点。对于低水头长距离输水隧洞，与电站引水隧洞对比后发现前者有以下特点：

（1） 双向过流。输水隧洞为满足沿线水厂供水，存在双向过流工况，如隧洞出水口在特殊工况下作为进水口反向供水。出水口正常运行水流需要平顺扩散，反向供水时要使水流平顺收缩，需要进行合理的体型设计。

（2） 淹没深度小。为满足自由出流且保障闸门尽量全开运行，输水隧洞进/出水口淹没水深通常相对较小，当进水口的淹没深度低于临界淹没水深，可能会出现吸气漩涡或携气进入管道，威胁工程安全运行。

（3） 出水口库底易受冲刷。在设计工况以外，存在出水口低水位大流量运行的可能，需考虑最不利因素对出水口库底进行相应防护。

总结前人研究经验，在设计进/出水口体型应该满足以下各项水力特性的要求［2］：

（1） 在进流各种运行条件下，进水口上方不产生有害漩涡；

（2） 出流时保证水流平稳扩散；

（3） 在各种运行条件下，进/出水口水头损失均较小，避免整个系统的总运行效率下降；

（4） 运行时，进/出水口水库内水流流态良好，出水口库底与岸边不会受到冲刷。

本文以罗田水库—铁岗水库输水隧洞进/出水口建筑物为例，对低水头长距离输水隧洞进/出水口的水力特性进行研究。

1工程概况

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程是珠江三角洲水资源配置工程在深圳境内两项配套项目之一，工程位于深圳市西部城区，输水隧洞自宝安区松岗镇东北部罗田水库取水，由北往南，将西江水引入铁岗水库［3］。隧洞沿途分别向罗田水厂、五指耙水厂、长流陂水厂及铁岗水库输水，线路布置如图1所示。罗铁隧洞输水干线长约21.7 km，过流断面直径5.2 m。

罗铁隧洞工程进水口采用塔式进水口，由拦沙坎、引水渠、进水塔组成，如图2所示。拦污栅为平面直立活动式拦污栅，孔口尺寸为7.0 m×15.6 m（宽×高，下同），拦污栅底坎高程17.5 m。拦污栅后设置一道分层取水叠梁门，孔口尺寸为7.0 m×14.1 m。检修闸门孔口尺寸5.2 m×5.2 m，事故闸门孔口尺寸5.2 m×5.2 m。检修闸门和事故闸门间布置罗田水厂支线进口，进口设置一道检修闸门，孔口尺寸为3.2 m×3.2 m。检修闸门右侧设罗田水厂备用取水口，相应孔口尺寸为3.2 m×3.2 m。

罗铁输水隧洞工程出水口采用塔式出水口，如图3所示。除满足正常运行期间的供水需求外，还要满足珠三角工程检修期间沿线水厂、铁岗水库的功能。出水塔（闸室段）顺水流向依次布置渐变段、闸门段、喇叭口段、拦污栅段。

2模型试验规划

2.1模型设计

模型按重力相似准则设计，为1∶18正态模型，模型水流雷诺数为7.5×105，韦伯数为273，可满足漩涡模拟相似。糙率比尺为181/6=1.619，原型隧洞管段糙率为0.012～0.015，要求模型相应的糙率为0.007 4～0.009 3，选用有机玻璃制作隧洞进、出口段模型，其糙率满足相似要求［4］。

2.2模型布置

模型模拟范围包括：输水隧洞进口罗田水库局部（宽110.0 m，长150.0 m）；输水隧洞出口铁岗水库局部（宽90.0 m，长160.0 m）；输水隧洞进水口段、出水口段，沿线水厂流量模拟。模拟干线隧洞长160.0 m，在分水支线上通过控制阀、流量计控制总流量和分流量，干线隧洞中增加阻力阀，通过调节阻力阀使主隧洞沿程的水头损失与实际值相等。

模型总体规模：宽6.0 m，长26.0 m，高2.0 m。模型布置如图4所示。

时均压力用测压排系统测量，流速用旋桨流速仪测量，流量通过量水堰、电磁流量计控制，水位用水位测针测量，水面波动用钢尺测量，流态采用示踪粒子加相机拍摄。

2.3试验工况

模型试验工况根据设计及输水隧洞可能的糙率变化情况（工程运行初期糙率为0.012，后期糙率为0.015）拟定，进行了正常运行工况、主隧洞检修工况、隧洞加大流量输水工况分类，见表1～3。

3进水口水力特性

3.1正常运行工况

隧洞进水口前局部水域受汊湾河道地形及进水塔布置位置影响，进水口前形成较大范围的平面回流，回流流速缓慢，水流平稳，水面波动小。拦污栅-胸墙段存在局部回漩流态。在设计流量下，流速整体较小，随叠梁门层数增加，门顶流速逐渐增加，同时门井波动由0.05 m增长到0.30～0.50 m左右。进水口基本呈现静压分布。

隧洞进水口段体型产生的水头损失相对较小，但随着叠梁门层数逐渐增加，水流通过叠梁门顶时产生的附加水头损失明显增加，如表4所列。

3.2主隧洞检修工况

在主隧洞检修工况下，干线部分关闭，罗田水库水位为25.00 m，隧洞进水口流量为8.1 m3/s，通过罗田水厂支线B往罗田水厂供水。

进水口段流速总体较小，未见不良流态。由于罗田水库水位为25.00 m，引渠前端渠底高程较高，水深相对较浅，流速相对较大，测点最大流速为0.7 m/s；坎顶流速为0.5 m/s，隧洞进口前右岸坡凸嘴处最大流速为0.89 m/s，如图5所示。

由于隧洞进水口未放置叠梁门，其检修闸门井及事故闸门井内的水面波动均较小，水面波幅在0.05 m以内。进水口段沿程时均压力基本呈静水压力分布，隧洞有压进水口段顶部沿程压力值约为2.3×9.81 kPa，而有压段洞底沿程压力值约为7.5×9.81 kPa。

3.3隧洞加大流量输水工况

在罗田水库同一库水位条件下，随着隧洞输水流量加大，隧洞进水口前流态趋于紊乱，胸墙前会出现不同程度的漩涡；在隧洞进水口流量为45 m3/s以上时，进水口前会出现持续性的立轴漩涡，并有气团间歇进入有压洞内，对隧洞安全运行会产生不利影响［5］。

加大流量运行，隧洞进水口不放叠梁门时，门井内的水面最大波幅仅0.05 m；放置叠梁门后，门井波动最大达0.7～1.0 m，即隧洞进口前放置叠梁门是引发闸门井内水面较大波幅的根源。

前述闸门井内水面波动试验成果，均是在门井中的闸门提离水面的情况下获得的；检修闸门平时是提离水面的。如果事故门井中的闸门处于随时待命状态，即事故闸门底缘处于洞顶附近时，门井内的水面波幅会明显减小，波幅降低在50%以上。具体试验成果见表5。

4出水口水力特性

4.1正常运行工况

在隧洞出口流量12 m3/s、铁岗水库水位25.00～28.70 m条件下，隧洞出口段及与下游库岸连接段的水流衔接平稳，流速较小，水面基本无波动。由于隧洞出水口工作闸门全开，闸门井内的水面平稳，无明显波动，波幅在0.05 m以内。隧洞出水口段及库岸区的流速均较小，各测点流速值未超过0.3 m/s。隧洞出水口有压管段的平均流速小于0.6 m/s，流速水头小于0.02 m，所以有压管段沿程压力分布平顺，各测点的测压管水头基本平齐，洞顶最小压力为5.8×9.81 kPa，洞底最小压力为11.0×9.81 kPa。在隧洞出口流量12 m3/s、铁岗水库水位25.00 m时，出水口段总水头损失为0.015 m；在隧洞出水口流量12 m3/s、铁岗水库水位28.7 m时，出水口段总水头损失为0.013 m。

4.2主隧洞检修工况

铁岗水库水位25.9 m、隧洞出口反向供水流量9.9 m3/s时，隧洞出水口变为进水口，此时洞口周围出现轻微的表面回流，洞口前水流平顺。洞口闸门井内水面波动较小，波幅在0.02 m以内。对隧洞洞口段各测点进行了压力数据采集，各测点测压管水头基本平齐，压力基本符合静压分布，闸门井内水面波动较小，基本在0.02 m以内。出水口综合水头损失为0.010 m。

4.3隧洞加大流量输水工况

在铁岗水库水位低于23.00 m时，如对应的罗田水库水位为设计水位28.09 m和正常蓄水位33.09 m，隧洞出水口流量分划可达27 m3/s和36 m3/s，水流流出开挖护坡护坦后均呈急流状态。在铁岗水库水位24.00 m时，因水深相应增加，库底流速相应有所减小，护坦出水口水流通过冲击下游水体消能。出水口急流段宽度在25.0 m左右，出水口下游主要关注护坦后流速。在出水口流量16～36 m3/s、铁岗水库水位23.00 m条件下，护坦流速在2.0～2.6 m/s。护坦下游库岸流速较大，对应流速在3.8～4.35 m/s，需做相应护坡处理。

5隧洞出水口闸门局开试验

在上下游库水位差大于设计值或引水流量减小时，需在出水口关闭工作闸门进行控泄。因为出水口为淹没出流，把闸门局部开启视作为局部水头损失，通过试验得到闸门不同开度下出水口部分的综合水头损失系数，如图6所示。闸门运行过程中，通过上下游水位差，过流流量数据即可算出水口综合水头损失，进而求得综合水头损失系数，最终通过图6初步确定所需闸门开度，为工程调度运行提供数据支撑。

6结 论

以罗田水库—铁岗水库输水隧洞为例，对低水头长距离输水隧洞进出水口水力特性进行研究，结论如下：

（1） 在设计工况下，进/出水口附近流态良好。在特殊工况下，出水口可能出现低水位高流速，需重点关注，根据实际情况进行相应防护。

（2） 由于流速相对较小，进/出水口整体水头损失也较小，门井波动也较小。但是进水口增加叠梁门后，由于体型变化，流态变差，水头损失、门井波动成倍增加，设计时需考虑叠梁门影响。

（3） 输水隧洞进水口前、出水口后流速较小，进水口段、出水口段压力符合静压分布。

（4） 试验得出了隧洞出水口闸门不同开度的局部水头损失系数，建立了闸门开度与局部水头损失系数的关系，可为工程运行调度提供数据支撑。

参考文献：

［1］郝鑫，杨超林，王均星，等.低水头有压竖式进水口体型设计与模型试验研究［J］.中国农村水利水电，2020（8）：198-202，210.

［2］毛长贵.清原水库侧式进/出水口水力特性影响因素研究［D］.天津：天津大学，2018.

［3］长江勘测规划设计研究有限责任公司.罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程初步设计报告（报批稿）［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2021.

［4］长江水利委员会长江科学院.孟楼-七方倒虹吸工程进出口水工模型试验研究报告［R］.武汉：长江水利委员会长江科学院，2016.

［5］陈云良.进水口前立轴旋涡水力特性的研究［D］.成都：四川大学，2006.

（编辑：郭甜甜）