减压箱在太湖水库输水管线设计中的应用

郭增涛，廖冬芽

(江西省水利规划设计研究院；江西省水工结构工程技术研究中心，江西 南昌 330029)

1 概 述

太湖水库输水管线工程位于江西省寻乌县，水源乡段管线主要沿现状山沟布置，澄江镇段主要沿206国道边沟布置，城区段沿高速连接线边山沟布置。输水管为重力流输水，管线设计总长度31.80 km，日最大输水流量为0.83 m3/s[1]。其中水源水厂分水口位于桩号5+000，日最大输水流量为0.03 m3/s；澄江镇分水口位于桩号14+700，日最大输水流量为0.061 m3/s；吉潭镇分水口位于输水管线桩号25+500，日最大输水流量为0.05 m3/s。

太湖水库正常蓄水位443.00 m，设计洪水位(P=2%)445.01 m，校核洪水位(P=0.1%)446.53 m，死水位410.00 m[2]。灌溉引水隧洞进口底高程为406.00 m。输水管线设计工作水位为410.00～446.53 m，水厂进水管中心高程330.00 m，要求新建水厂进口测压管水头为340.00～345.00 m，管道静压承压标准为100.00 m。

太湖水库供水工程为重力流供水，且沿线地形复杂，地形高点处地面高程410.00 m左右，低点处地面高程290.00 m左右，输水管线的结构布置见图1、2，管线起伏较大，供水距离长、任务艰巨，输水工况的转换、管线阀门的启闭等都会导致输水系统产生水力瞬变现象，轻则导致管路出现非正常供水，重则导致爆管，破坏整个输水系统的运行[3]。

图1 输水系统纵断面布置图

图2 太湖水库输水工程系统布置图

2 不设减压箱方案管线压力状况

根据太湖水库输水管线的运行状况，首先考虑不设减压设施情况下计算的管线工作压力状况，根据计算结果确定是否增设管道减压设施。

在沿线不设减压设施条件下，太湖水库校核洪水位、寻乌县水厂最小控制内压时总压力水头最大，而主管流量为0%设计流量时，管道过流无水头损失，此时管道沿线的测压管水头最高，该工况为管道沿线最大内压的控制工况。

工况一：太湖水库水位为死水位410.00 m，寻乌县水厂最大测压管水头345.00 m，主管流量为100%设计流量0.83 m3/s。

工况二：太湖水库水位为校核洪水位446.53 m，寻乌县水厂最小测压管水头340.00 m，主管流量为0%设计流量0 m3/s。

图3 工况一输水管道计算内水压力线

图4 工况二输水管道计算内水压力线

表1 管道沿线最大最小测压管水头、内水压力统计表m

由图3～4和表1可知：(1)在工况一时，管道沿线的测压管水头最低，其管道沿线的最小内水压力为19.06 m(位于管道首端，该处管道中心线高程最高)，未出现负压，故本工程的过流能力能够满足要求。(2)在工况二时，管道沿线没有水头损失，故管道沿线的测压管水头最高为446.53 m，管道沿线最大内水压力为162.19 m(位于桩号31+500，该处管道中心线高程最低)，超过100.00 m管道静水压力承压标准。为了削减过大的水流余能，本工程考虑采用减压箱作为消能防护措施。

3 设减压箱方案

3.1 减压箱布置

由于寻乌太湖水库供水工程为重力流供水，沿线地形复杂，管线起伏较大，消能方案应兼顾系统过流能力的要求，而过流能力的控制点为管道中心线起伏的高点。由图1输水系统纵断面设计图可知，过流能力的控制点存在于桩号0-178.95、8+700、27+675和31+811四个沿线地形高点中，该四点正常运行时内水压力相对较低，富余水头最小。经计算，过流能力的控制点为27+675，由于首端处设置消能设施影响的管段最长，且考虑管道静水压力承压标准，故在管道首端(桩号0-104.95)后设置1#减压箱，为满足任意工况下管道的过流能力，含支线的管道核算减压箱水位，计算出1#减压箱应取水位为390.50 m。

考虑管道过水能力，在桩号27+725处布置2#减压箱。此时2#减压箱的过流能力控制点显然为管道末端寻乌县新建水厂进口最高水位情况。为满足任意工况下管道过流能力，计算出2#减压箱运行水位350.50 m。2#减压箱主要起降低管道沿线最大静水压力的作用，故2#减压箱不起消能作用，只起减压作用。

本工程由1#减压箱削减过大的水流余能。当供水流量不变时，阀后的箱体消能设施消能效果是固定的，故采用上游低水位，主管流量为100%设计流量工况下计算减压箱的消能效果，经过计算，100%流量下，1#减压箱削减15.00 m压力水头。

1#减压箱采用常规减压箱，即调流阀+箱体消能设施的结构形式，兼具有水力摩阻元件和调压室的共同功用。消能依靠调流阀与箱体的共同作用。调流阀与箱体消能设施均可在不同程度上起消能作用。当减压箱结构形式确定后，其消能效果仅与供水流量有关，摩阻系数不会再发生变化，如需要进一步削减水流能量，则需调整调流阀开度。

结构上主要由折式消力板、消能隔墙(一个接地式，另一个为悬式)、消能底坎和后部的海漫几部分构成(见图5)。减压箱的消能段体积较小，但却消耗了大部分的水流裕能，具有水力摩阻的消能性质，水流主要以掺混、紊动、破碎的方式消能，表现的形式是水与水的质点之间，水与气泡之间，水、气泡与固体边界之间，通过摩擦进行质量、能量和动量的交换，从而达到了能量的消散；而其稳流调蓄段占有消能箱的大部分体积，主要用于调整水流流态和平稳水流流速，具有调压室的性质。

图5 1#减压箱结构布置图

图6 2#减压箱结构布置图

2#减压箱采用调流阀+常规调压室形式(见图6)，设置目的主要削减系统静水压力与水锤压力，在运行时箱体不起消能作用，调流阀处于大开度状态，箱体与电站中的调压室功能一致，起减缓系统水锤作用。考虑到本工程在运行初期，水量未达到设计水量，减压箱也要削减部分水头来维持系统无负压正常运行，届时主要通过调流阀消能。2#减压箱与1#减压箱最大的差别在于1#减压箱的消能依靠阀体与箱体的共同作用，而2#减压箱主要依靠阀体消能。

表2 减压箱布置参数

3.2 设减压箱后输水管线压力状况

对太湖水库供水工程双消能箱布置方案进行流量为0%、30%、50%、100%情况下进行工况一和工况二的恒定流计算，不同流量不同工况下管段的最大压力统计如表3。太湖输水管线双消能箱布置示意图见图2。

工况一：太湖水库死水位、寻乌县水厂最大测压管水头，主管线流量为100%流量0.830 m3/s，50%流量0.487 m3/s，30%流量0.348 m3/s，0流量0 m3/s；

工况二：太湖水库校核洪水位、寻乌县水厂最小测压管水头，主管线流量为100%流量0.830 m3/s，50%流量0.487 m3/s，30%流量0.348 m3/s，0流量0 m3/s。

由表3可知，由于太湖水库供水工程管线较长，高程落差大，不同流量的管线内水压力有较大的区别，零流量时管道无摩阻损失，内水压力最大，达到了98.78 m，低于管道设计承压能力100.00 m；各流量各工况下管道沿程无负压，故过流能力能够满足，减压箱水位的设置较为合理。

表3 各工况不同流量下管段最大压力统计

4 结 论

通过对太湖水库输水管线进行水力过渡过程计算，模拟工程设计和运行中可能出现的水力过渡过程，校核了供水系统的过流能力；并运用输水管道双减压箱方案有效降低了管道静内压，起到了削减过高水流余能的作用，使管线运行更加平稳，减小水力过渡过程对系统供水造成的影响，并通过经济合理的工程措施，确保该供水工程的安全。