閘前溢流井在膠東調(diào)水隧洞建設(shè)中的應(yīng)用

王繼濤

（山東省膠東調(diào)水局煙臺(tái)分局，山東 煙臺(tái) 264000）

水利工程有壓管路中常出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，導(dǎo)致管道系統(tǒng)劇烈震動(dòng)，危害系統(tǒng)安全性。在無水錘防護(hù)條件下，水泵機(jī)組等工程設(shè)備在斷電或其他事故導(dǎo)致的突然停機(jī)情況下極容易產(chǎn)生爆管事故[1-3]。本文以膠東調(diào)水工程長距離引水隧洞建設(shè)為例，深入探討閘前溢流井建設(shè)對(duì)減緩長距離隧洞水錘現(xiàn)象的應(yīng)用，為其他區(qū)域長距離引水隧洞建設(shè)提供參考。

1 隧洞水錘計(jì)算模型

假設(shè)長距離引水隧洞源頭初始水力壓力為某一恒定值，水在管路中的水頭損失主要為沿程水頭損失，此時(shí)可采用管道恒定壓力流動(dòng)的基本方程對(duì)此過程進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)伯努利能量方程：

恒定流壓情況下沿程阻尼損失按下式計(jì)算：

局部水頭損失按下式計(jì)算：

式中：z為位置水頭；P 為壓強(qiáng)水頭；hw、hf為水頭損失；hj為局部水頭損失；ζ為水頭損失系數(shù)。

對(duì)長距離引水隧洞進(jìn)行水力過渡參數(shù)的分析與求解的過程如下：

1）從既定時(shí)刻的恒定流開始，通過求解恒定流直接得出此時(shí)刻的水力參數(shù)，確定起始時(shí)刻的狀態(tài)邊界條件。2）采用特征線方法，利用已知結(jié)點(diǎn)的參數(shù)求解進(jìn)出口以外的任何中間結(jié)點(diǎn)任意時(shí)刻的流量和水頭，進(jìn)出口結(jié)點(diǎn)可以利用一個(gè)特征線方程和邊界約束方程求解，約束方程由基本邊界確定。3）重復(fù)求解得到各個(gè)結(jié)點(diǎn)水力參數(shù)，直至輸水系統(tǒng)過渡到恒定狀態(tài)。

2 閘門突閉水錘特性分析

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況調(diào)查，引水隧洞全長約30km，上游洞口閘門快速關(guān)閉所需時(shí)間大約為5min，上游水庫水位為20.0m，下游水位為10.0m，該隧洞沿線布置由通氣孔JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4，合理分布在隧洞中間處，每個(gè)通氣孔間距為6km。

2.1 無閘前溢流井工況下

圖1為無閘前溢流井條件下測(cè)試時(shí)間內(nèi)通氣孔涌浪高度平均值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖1可知，在無閘前溢流井條件下，突然關(guān)閉閘門將會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)涌浪高度開始出現(xiàn)震蕩，并在突然關(guān)閉的瞬間出現(xiàn)最大涌浪高度值，此時(shí)hmax=21.15m。隨著閘門高度的持續(xù)下降，隧洞閘門逐漸閉合，此后通氣孔涌浪高度的變化趨勢(shì)接近于正弦函數(shù)波形，振幅均值A(chǔ)=0.99m，震蕩下限均值hl=19.48m，震蕩上限均值hh＝20.51m，震蕩幅度較大。

圖1無溢流井引水隧道涌浪檢測(cè)

2.2 有閘前溢流井工況下

圖2 為有閘前溢流井條件下測(cè)試時(shí)間內(nèi)通氣孔涌浪高度平均值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖2可知，在有閘前溢流井條件下，突然關(guān)閉閘門也會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)涌浪高度的震蕩，并在突然關(guān)閉的瞬間出現(xiàn)最大涌浪高度值。相較于無閘前溢流井工況，此時(shí)hmax＝20.10m。而隨著閘門高度的持續(xù)下降，隧洞閘門逐漸閉合，此后通氣孔涌浪高度的變化趨勢(shì)接近于正弦函數(shù)波形，振幅均值A(chǔ)＝0.36m，震蕩下限均值hl＝19.82m，震蕩上限均值hh＝20.18m，震蕩幅度遠(yuǎn)小于無閘前溢流井工況。

圖2 有溢流井引水隧道涌浪檢測(cè)

分析認(rèn)為：閘前溢流井能夠?qū)﹂l門突然閉合時(shí)產(chǎn)生的激素水力梯度的增大進(jìn)行疏導(dǎo)，緩解了長距離引水隧洞內(nèi)水壓力激增的狀況，從而使得管道內(nèi)的震動(dòng)幅度降低，水壓力對(duì)管道的脈動(dòng)荷載作用減小，有效地提高了閘門下降時(shí)引水隧洞的安全性。

2.3 引水隧洞內(nèi)部應(yīng)力分析

在沿管道每隔1km處預(yù)安裝3個(gè)壓力傳感器，并通過線路進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，最后對(duì)每個(gè)點(diǎn)的各個(gè)傳感器所得數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選并求取合理的平均值。圖3為不同工況下沿引水隧道方向管道內(nèi)壁最大壓力與最小壓力包絡(luò)圖。

圖3 不同工況下沿引水隧洞的壓力水頭極值

由圖3可知，不同工況下沿引水隧洞的最大水頭壓力值或最小水頭壓力值與管道長度均成線性關(guān)系，即隨著隧洞長度的不斷上升，有、無閘前溢流井情況下壓力極值不斷增長直到水流流出管道。進(jìn)一步對(duì)比不同工況下的壓力極值差異可知，無閘前溢流井條件下隧洞壓力最大值始終大于有溢流井，壓力最小值始終小于有溢流井。在隧洞末尾處，各極值均達(dá)到最大，此時(shí)，對(duì)于無溢流井工況，最大壓力水頭為24.75m，最小壓力水頭為15.36m；對(duì)于有溢流井工況，最大壓力水頭為21.73m，最小壓力水頭為18.84m，其極值差遠(yuǎn)小于無溢流井條件。由此可見，有溢流井情況下引水隧洞受力更加均勻且荷載更小，其安全性遠(yuǎn)高于無溢流井條件。

3 結(jié)語

通過對(duì)膠東調(diào)水工程長距離引水隧洞中有、無溢流井建設(shè)的兩種工況的計(jì)算模擬可知：閘前溢流井建設(shè)對(duì)于長距離引水隧洞中出現(xiàn)的水錘現(xiàn)象具有良好的緩沖效果，大幅度降低了水流在隧洞內(nèi)與管道共振所產(chǎn)生的最大涌浪高程以及內(nèi)部應(yīng)力極值分布，降低了管道破壞的可能性，對(duì)于保護(hù)長距離引水隧洞的長久運(yùn)營具有重要的意義。