无压输水隧洞出口连接井水力流态试验研究

张栋梁

(辽宁省水资源管理集团，辽宁 沈阳 110166)

1 工程概况

辽宁省重点输供水工程3-3无压输水隧洞，洞径6.30m，隧洞出口底高程209.2m，设计最大流量42.0m3/s(对应水位213.45m)。隧洞出口设不对称水力连接井，井底高程202.40m，与隧洞出口高程差6.80m，井内设计液面与隧洞出口设计液面高程相同，井顶板底面高程216.0m。连接井下游与3根φ3.62m的钢管相连，钢管外包混凝土，管中心高程205.0m，管顶高程206.80m。钢管轴心线与隧洞轴心线夹角167.65°。连接井平面布置图如图1所示。

图1 隧洞出口连接井平面布置图

2 试验观测

2.1 观测点布设

根据试验内容和要求，模型共布设14个水位观测点位：连接井底板均匀布设13个，隧洞出口与连接井交接处布设1个[6]。下游3根供水管线编号为A、B、C，如图2所示。

图2 连接井试验模型观测点布置图

2.2 试验组设定

根据工程目前实际运行工况，本次试验分别采用单管线运行方式进行(A、B、C线任选其一)，在2.70～18.0m3/s流量区间内，每种流量设5组工况：2.70、7.45、12.0、16.0、18.0m3/s，共计15组试验工况[7]。

2.3 观测仪器

模型流量控制采用超声波流量计，过程校准精度±0.5%。不同流量条件下连接井内的水位观测，采用水位管控制测量，读数误差±0.3mm。

2.4 记录仪器

为了更加全面地记录与保留试验结果，本次试验选用记录设备为记录水位观测数据的纸质版电子表格、记录水流流态的摄像机和照相机、同时应用文字描述方式对试验现象进行保存。

2.5 观测方法

随着流量及水位变化，连接井及出水管内水体会发生掺气、漩涡、气阻等水力现象。每组试验中通过调节试验管末端阀门，使水位缓慢升高，至上述水力现象消失/发生为止，观测整个动态变化过程中连接井和下游出水管道中水体变化情况。

3 试验成果分析

3.1 管A单独运行

3.1.1连接井水力现象

(1)掺气现象

同一水位下，在2.70～18.0m3/s区间内，随着流量的增加，连接井内水体掺气范围不断扩大、掺气强度(气泡大小及水花翻腾程度)不断增加；同一流量下，随着连接井内水位升高，掺气范围不断收缩，掺气程度逐渐减弱直至消失；各工况连接井右侧掺气范围和掺气强度均大于左侧。当流量为2.70m3/s、水位209.0m时，以及流量为18.0m3/s、水位209.80m时，连接井内掺气现象消失。如图3所示。

图3 18.0m3/s流量时连接井水体掺气图

(2)漩涡现象

根据试验，连接井水位上升过程中，流量在2.70～7.45m3/s区间内，井内水体未产生漩涡；流量在12.0～18.0m3/s区间内，在连接井左前和右前侧产生明显漩涡，并引发少量掺气，随着流量递增，发生漩涡和掺气的范围不断扩大，且右前侧漩涡和掺气较左前侧严重。

当流量为12.0m3/s、水位209.40m时，连接井左前侧(长×宽×深)0.50m×0.50m×0.30m和右前侧2.0m×1.50m×0.50m范围内产生漩涡和掺气，水位达到210.20m时漩涡消失。当流量为18.0m3/s、水位为209.80m时，连接井左前侧5.0m×1.0m×2.0m和右前侧3.8m×1.5m×4.0m范围内产生漩涡和掺气，水位达到210.50m时漩涡和掺气现象消失。如图4所示。

图4 18.0m3/s流量时连接井水体漩涡效果图

3.1.2管A水力现象观测

(1)掺气现象

供水过程中，连接井与管内液面存在高差，水流速大，致使试验管段内水体产生掺气现象，随着管内液面上升，掺气程度不断减小直至消失。流量为2.70、7.45m3/s，水位分别达到203.92、204.45m时(管内液面与连接井液面一致)，管内水体掺气现象消失。当流量达到12.0、16.0、18.0m3/s时，由于管内掺气和井内掺气共同作用，出水管内水体掺气现象消失时对应水位分别为210.20、210.20、210.50m。

(2)气阻现象

管A单独运行时，2.70～7.45m3/s区间内，连接井不同水位，管内水体无气阻现象；12.0～18.0m3/s区间内，连接井水位达到出水管管顶高程206.80m以上时，管内水体开始出现气阻现象，随着流量增加和连接井水位升高，气阻现象愈加严重。

3.2 管B单独运行

3.2.1连接井水力现象

(1)掺气现象

连接井水体掺气现象及规律与管A单独运行时相同。当流量2.70m3/s、水位209.10m时，掺气现象消失；当流量18.0m3/s、水位210.10m时，连接井内掺气现象消失。

(2)漩涡现象

连接井水体产生漩涡现象及规律与管A单独运行时相同。当流量达到12.0m3/s时、连接井水位达到209.80m时，连接井左前侧1.0m×0.5m×0.5m和右前侧3.0m×1.0m×0.5m范围内产生漩涡和掺气现象；水位达到210.20m时漩涡和掺气现象消失。当流量达到18.0m3/s、连接井水位达到209.50m时，在连接井左前侧5.0m×2.0m×2.0m和右前侧7.0m×3.0m×5.0m范围内产生漩涡和掺气现象；水位达到211.24m漩涡和掺气现象消失。如图5所示。

图5 12.0m3/s流量时连接井水体漩涡范围示意图

2.2.3管B水力现象观测

(1)掺气现象

在供水过程中，管B产生掺气的原因、现象及规律与管A单独运行时相同。流量为2.70、7.45m3/s，水位分别达到203.96、204.44m时，出水管内水体掺气现象消失。当流量达到12.0、16.0、18.0m3/s时，出水管内水体掺气现象消失时对应水位分别为210.20、210.75、211.24m。

(2)气阻现象

管B单独运行时，2.70～7.45m3/s区间内，不同水位时管内水体均无气阻现象产生；在12.0～18.0m3/s区间内，当连接井内水位达到出水管管顶高程206.80m以上时，管内水体开始出现气阻现象，随着流量的增加和连接井水位的升高，气阻现象愈加严重。

3.3 管C单独运行

3.3.1连接井水力现象

(1)掺气现象

连接井掺气现象及规律与管A单独运行工况相同。当流量2.70m3/s、水位达到208.90m时，掺气现象消失；当流量18.0m3/s、水位达到209.80m时，连接井内掺气现象消失。

(2)漩涡现象

连接井水体漩涡现象及规律与管A单独运行时相同。当流量达到12.0m3/s、连接井水位达到209.80m时，连接井左前侧2.5m×0.5m×0.5m和右前侧4.5m×2.0m×0.5m范围内产生漩涡和掺气现象，水位达到210.50m时漩涡和掺气现象消失。当流量达到18.0m3/s、连接井水位达到209.80m时，连接井左前侧5.0m×1.0m×1.50m和右前侧5.0m×1.50m×6.20m范围内产生漩涡和掺气，水位达到210.90m漩涡和掺气现象消失。

3.3.2管C水力现象观测

(1)掺气现象

管C在供水过程中产生掺气原因、现象及规律与管A单独运行工况相同。流量为2.70、7.45m3/s、水位分别达到204.04、204.71m时，管内水体掺气现象消失。当流量达到12.0、16.0、18.0m3/s时，管内水体掺气现象消失时对应的水位分别为210.50、210.80、210.90m。如图6所示。

图6 18.0m3/s流量时出水管C水体掺气图

(2)气阻现象

管C单独运行时，在2.70～7.45m3/s流量区间，连接井不同水位，管内水体无气阻现象；在12.0～18.0m3/s区间内，当连接井内水位达到出水管管顶高程206.80m以上时，管内水体开始出现气阻现象，且随着流量的增加和连接井水位的升高，气阻现象愈加严重。

4 试验小结

4.1 连接井水力现象

根据试验观测，管A、B、C单独运行时，在2.70～18.0m3/s区间内，连接井进水口与井内液面存在水力坡降，对液面及连接井内梁柱产生冲击作用，井内水体掺气；连接井右侧掺气范围和掺气强度均大于左侧；同一水位，流量递增，井内掺气范围不断扩大、掺气强度逐渐增加；同一流量，随着连接井内水位升高，掺气范围不断收缩，掺气程度也随之减弱，最终消失[8]。在12.0～18.0m3/s区间内，连接井左前和右前侧分别产生漩涡现象，并引起少量掺气现象；水位逐渐升高，漩涡和掺气现象随之消失。如图7所示。

图7 连接井掺气和漩涡现象消失时水位与流量关系

4.2 出水管水力现象

根据试验观测，管A、B、C单独运行时，不同流量下，出水管内水体主要产生掺气和气阻两种对结构安全不利的水力现象。管内水体掺气主要有两种原因：一是供水过程中连接井与管内液面存在高差，水流速度较大，冲击致使管内水体掺气。二是由连接井内掺气及漩涡产生的气泡随水流进入管道内部所致。气阻则是当连接井内水位达到或高于管顶高程一定范围内，由于出水管内存在掺气，对水流产生的顶托与阻碍作用[9]。上述成果分析，如图8所示。

图8 出水管掺气消失时水位与流量关系

由图8可知：流量小于14.0m3/s时，三条出水管水体掺气现象消失时对应的水位差异并不明显，当流量大于14.0m3/s时，管A运行时对应的水位最低、其次为管C。

5 试验建议

根据本次仿真模拟试验结果，对今后的实际应用工作，提出以下建议：

(1)水体掺气、漩涡现象的长期存在会对下游管道进气和排气产生不利影响，建议工程实际供水过程中，在保证供水量及构筑物结构安全的前提下，尽量使得连接井以较高水位运行，可减弱或消除井内掺气及漩涡现象。

(2)为了减轻下游出水管内水体掺气和气阻的不利影响，保证供水安全，建议在管道供水过程中及大流量供水时，先通过小流量逐渐将连接井内水位提升至管顶上方一定高度，待掺气和漩涡现象消失后，再加大供水流量。

(3)连接井内掺气、漩涡现象的产生与工程型式和过水构筑物内部结构有直接关系，为了减轻不利影响，建议在今后的设计应用中，对连接井体型和梁板形状等局部结构进行优化，尽量设计成圆形、流线形，并使工程结构尽可能对称布置。

(4)建议增加连接井、出水管排气能力。气阻现象主要是因为出水管内气体不能有效合理排除，从而对水流产生阻碍而产生，建议在各出水管道增设排气孔；气阻现象所导致的大气泡可能会对连接井顶部产生水流冲击作用，使连接井内部压力增大，建议在连接井盖板上增设排气孔，提高排气能力，保障工程运行安全。

(5)本试验结果与工程上下游水力条件、运行方式等因素密切相关，由于试验条件有限，不能进行全程模拟，与实际工程相比存在一定差异，建议实际运行中应根据调度运行方式，加强原型观测，加强对连接井和出水管路掺气及气阻等现象的巡查及监控，增设智能安全检测设备，及时发现问题，采取有效措施，确保工程运行安全。