滇中引水工程水力特性分析——多通道倒虹吸水力控制.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER348第 39 卷第 8 期0 引言观音山是滇中引水工程中规模最大的倒虹吸，上接龙潭隧洞，下连蔡家村隧洞。水平长9 777.117 m，实长 9 818.945 m。倒虹吸设计流量100 m3/s，采用 3 根直径 4.2 m 压力钢管输水。倒虹吸全线穿越罗茨盆地，盆地中间分布有东北向展布的观音山，管线从山脚下穿过，盆地地面高程 1 750 1 800 m，地形开阔平坦，倒虹吸最大静水头约 165 m。为了满足进口淹没水深控制的需要，倒虹吸在不同输水流量级别下采用 3 根、2 根和 1 根管道运行，同时在倒虹吸出口设置节制闸和溢流堰，在满足过流能力、保证进口淹没水深的条件下，最大限度的简化出口节制闸的控制方式。1 多通道倒虹吸分级运行方式在不采用倒虹吸出口闸门控制进出口水位时，为满足倒虹吸进口淹没深度要求1-4，各来流条件下倒虹吸进口底板高程较其衔接的龙潭隧洞底板高程均需不同程度降低，特别小流量工况时降低较大，流量小于 10 m3/s 时水面跌幅达 11.74 m，进口存在流态差、进气等问题，因此在观音山倒虹吸出口布置 1 节制闸，其功能主要为控制倒虹吸出口分水口门水位及倒虹吸进出口淹没深度，为尽量减少运行期采用节制闸控制倒虹吸进出口滇中引水工程水力特性分析多通道倒虹吸水力控制王超，杨小龙，朱国金，司建强（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）摘要：滇中引水工程观音山倒虹吸长达 9.8 km，输水流量达 100 m3/s，采用 3 根 4.2 m 内径的压力钢管输水。在满足输水流量的同时需要保证倒虹吸进口一定的淹没深度，避免进口掺气等不利水力现象。为简化调度运行提出不同输水通道数匹配输水流量级别、节制闸与溢流堰联合控制的方式，实现出口节制闸仅全开或全关两种运行状态。关键词：滇中引水工程；多通道倒虹吸；分级运行；堰闸组合；水力控制中图分类号：TV222文献标识码：A文章编号：1006-3951(2023)08-0348-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.083Hydraulic Characteristics Analysis of Central Yunnan Water Diversion Project-Multi-Conduit Inverted Siphon Hydraulic ControlWANG Chao,YANG Xiao-long,ZHU Guo-jin,SI Jian-qiang(Power China Kunming Engineering Corporation Limited,Kunming 650051,China)Abstract:Guanyinshan inverted siphon of Central Yunnan Water Diversion Project is 9.8 km long,with a water conveyance flow of 100 m3/s.The inverted siphon is composed of three 4.2 m inner diameter steel penstocks.While meeting the water delivery flow,it is necessary to ensure a certain submergence depth at the inverted siphon inlet to avoid adverse hydraulic phenomena such as aeration.This paper proposed that different number of conduits match different delivery flow,and the joint control of the sluice and overflow weir,to realize the two operation states of the outlet sluice:fully open or fully closed.Key words:Central Yunnan Water Diversion Project;multi-conduit inverted siphon;graded operation;weir gate combination;hydraulic control收稿日期：2023-02-06作者简介：王超（1988-），男，云南玉溪人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。*王超，杨小龙，朱国金，司建强 滇中引水工程水力特性分析多通道倒虹吸水力控制349水位操作频次，拟定以下原则运行。1）输水流量大于 70 m3/s 时采用 3 管输水、出口节制闸全开运行。2）输水流量介于 55 m3/s 75 m3/s 时，采用两管输水、出口节制闸全开运行。3）输水流量介于设计流量 30 m3/s 55 m3/s时采用两管输水、出口节制闸全关运行，水流通过出口溢流堰输送至下游。4）输水流量小于设计流量 30 m3/s 时采用单管输水、出口节制闸全关运行，水流通过出口溢流堰输送至下游。2 节制闸控制进口水位为抬高小流量时倒虹吸进口水位以尽量减少倒虹吸进口高度降低值，减小小流量时进口水位跌落幅度以改善倒虹吸进口流态，需采用出口节制闸控制进口水位。采用节制闸控制进口水位时进口水位按各流量下不低于衔接隧洞底板 0.5 m 原则控制，按此条件并结合布置条件拟定倒虹吸管道进口底板高程为 1 911.927 m，相应管顶高程为 1 916.717 m。采用倒虹吸出口节制闸控制进出口淹没深度时各来流条件下倒虹吸运行分析成果见表 1，要求的最小淹没深度按照戈登公式计算。由计算成果可以看出：仅从满足最小淹没表 1 采用节制闸控制进口淹没深度时倒虹吸运行分析结果表倒虹吸输水流量/(m3/s)管道过流方式闸门开度/m闸前水深/m水头损失/m倒虹吸进口进口衔接隧洞底板高程/m进口水位/m进口管顶高程/m实际最小淹没深度/m要求最小淹没深度/m100三管全开6.758.221 919.931 926.831 916.3510.482.7190三管全开6.436.671 919.931 924.961 916.358.602.4480三管全开5.845.281 919.931 922.981 916.356.622.1770三管全开5.294.051 919.931 921.201 916.354.851.9070双管全开5.299.061 919.931 926.211 916.359.862.8565双管全开5.017.841 919.931 924.711 916.358.362.6460双管全开4.746.691 919.931 923.291 916.356.942.4450双管全开4.194.661 919.931 920.711 916.354.362.0345双管全开3.903.791 919.931 919.551 916.353.191.8340双管1.304.783.001 919.931 919.641 916.353.291.6335双管0.905.382.311 919.931 919.551 916.353.201.5030双管0.656.051.711 919.931 919.621 916.353.271.5030单管全开3.006.711 919.931 921.571 916.355.212.4425单管13.434.671 919.931 919.961 916.353.612.0320单管0.504.653.011 919.931 919.521 916.353.171.6315单管0.305.901.711 919.931 919.471 916.353.121.5010单管0.187.180.791 919.931 919.831 916.353.481.50深度要求成果来看，来流量小于 45 m3/s 时均需采用节制闸调节进出口水位以满足最小淹没深度要求。来流量小于 10 m3/s 时节制闸开度小于 0.18 m；在采用倒虹吸出口节制闸控制进出口水位情况下，倒虹吸进口水位较其衔接的蔡家村隧洞水位跌落不大，但存在小流量时闸门开度较小、节制操作频繁问题；从观音山倒虹吸进口水工模型试验成果判断倒虹吸进口水位低于高程 1 921 m 左右时倒虹吸管存在进气现象，据此判断仅采用节制闸控制时还需调整闸门开度使进口水位抬高至高程 1 921 m 以上，即流量小于 75 m3/s 时均需采用节制闸控制。为便于调度运行，尽量减少运行期节制闸操作频次及小开度运行工况，初拟在倒虹吸出口增350云南水力发电2023 年第 8 期设溢流堰，溢流堰与节制闸共同运用以控制分水口及倒虹吸进出口水位。3 节制闸与溢流堰联合控制进口水位溢流堰主要用于尽量避免小流量工况下节制闸小开度长期运行，同时在保证倒虹吸进出口淹没深度前提下尽量降低倒虹吸进口底板与衔接的龙潭隧洞底板高差，改善倒虹吸进口水力条件。溢流堰按以下原则拟定。1）堰顶高程需满足节制闸全开及局开情况下溢流堰不过水，即溢流堰与节制闸不同时过水。2）溢流堰与节制闸共同运行情况下，为便于运行调度，应尽量减少节制闸操作频次，各来流条件下须满足倒虹吸进出口最小淹没深度要求。3）采用溢流堰控制小流量工况下倒虹吸进口淹没深度时，进水池水位不超过设计水深。倒虹吸进出口管道底板高程拟定原则与采用节制闸控制进出口水位原则相同。管道进口底板高程为 1 911.927 m，管顶高程为 1 916.717 m。倒虹吸管道出口底板高程为 1 905.360 m，管顶高程为 1 909.567 m。观音山倒虹吸设计流量为 100 m3/s，出口设计水深为 6.75 m，过设计流量时溢流堰不过水，则其堰高不小于 6.75 m，考虑 0.35 m 超高后堰高选择 7.1 m。观音山倒虹吸出口设置溢流堰处底板高程为 1 911.865 m，相应堰顶高程为1 918.965 m。根据观音山倒虹吸出口地形及出口布置条件，如图 1 所示，在倒虹吸出口检修闸后流道两侧各 1 个溢流堰，溢流堰堰顶宽 10 m，堰后流道宽 5 m。?图 1 观音山倒虹吸出口溢流堰平面布置图表 2 采用节制闸与溢流堰控制进口淹没深度时倒虹吸运行分析结果表倒虹吸输水流量/(m3/s)管道过流方式闸门开度/m堰上水头/m水头损失/m倒虹吸进口进口衔接隧洞底板高程/m进口水位/m进口管顶高程/m实际最小淹没深度/m要求最小淹没深度/m100三管全开不过流8.221 919.931 926.831 916.3510.482.7190三管全开不过流6.661 919.931 924.951 916.358.592.4480三管全开不过流5.261 919.931 922.961 916.356.602.1775三管全开不过流4.631 919.931 922.051 916.355.702.0370三管全开不过流4.051 919.931 921.201 916.354.851.9070双管全开不过流9.061 919.931 926.211 916.359.862.8565双管全开不过流7.811 919.931 924.681 916.358.332.6460双管全开不过流6.661 919.931 923.261 916.356.902.4455双管全开不过流5.591 919.931 921.911 916.355.562.2455双管全关1.315.591 919.931 925.861 916.359.512.2445双管全关1.153.771 919.931 923.881 916.357.531.8340双管全关1.0631 919.931 923.031 916.356.671.6335双管全关0.972.321 919.931 922.261 916.355.901.5030双管全关0.881.741 919.931 921.581 916.355.221.5030单管全关0.886.661 919.931 926.501 916.3510.142.4425单管全关0.784.631 919.931 924.371 916.358.022.0320单管全关0.6731 919.931 922.641 916.356.281.6315单管全关0.561.741 919.931 921.251 916.354.901.5010单管全关0.430.831 919.931 920.211 916.353.861.50王超，杨小龙，朱国金，司建强 滇中引水工程水力特性分析多通道倒虹吸水力控制351采用溢流堰与节制闸共同运用控制倒虹吸进出口淹没深度情况下倒虹吸运行分析成果见表 2。由计算成果可以看出：来流量大于 75 m3/s时，采用 3 管输水，倒虹吸出口节制闸全开运行，倒虹吸进口最低水位较衔接隧洞底板高出 2.12 m以上；来流量介于 55 m3/s 75 m3/s 时，采用双管输水，倒虹吸出口节制闸全开运行，倒虹吸进口最低水位较衔接隧洞底板高出 1.99 m；来流量介于 30 m3/s 55 m3/s 时，采用双管输水，倒虹吸出口节制闸全关运行，下游供水通过溢流堰输送，倒虹吸进口最低水位较衔接隧洞底板高出 1.62 m；来流量小于 30 m3/s 时，采用单管输水，倒虹吸出口节制闸全关运行，下游供水通过溢流堰输送，堰上水头小于 0.88 m；各运行工况下进水池水位均未超过设计水位。出水池最高水位 1 920.27 m（水深 8.41 m），出水池顶高程 1 920.86 m（池高9 m），较最高水位还有 0.6 m 安全超高；各运行工况下倒虹吸进出口淹没深度均满足规范要求，倒虹吸进水池水位均较衔接隧洞高；根据倒虹吸进口水力学模型试验成果，拟定的运行方式下倒虹吸进口水流流态平稳，仅 70 m3/s 75 m3/s 3管运行出口节制闸全开时、55 m3/s 双管运行且出口节制闸全开时有少量微气泡进入倒虹吸，但均能排出。以上计算结果未考虑倒虹吸出口分水口分水的情况，倒虹吸出口分水口的设计分水流量为6.5 m3/s。当倒虹吸过流 70 m3/s，观音山分水口分水 6.5 m3/s，进入蔡家村隧洞的流量为 63.5 m3/s，出口水位较蔡家村隧洞的流量为70 m3/s降低0.35 m，考虑出口水位降低 0.35 m 后 3 管运行下倒虹吸进口满足最小淹没水深的要求；当倒虹吸过流55 m3/s，观音山分水口分水 6.5 m3/s，进入蔡家村隧洞的流量为 48.5 m3/s，出口水位较蔡家村隧洞的流量为 55 m3/s（出口水位为 1 916.323 m）降低0.36 m，出口水位降低 0.36 m 后两管运行下倒虹吸进口能满足最小淹没水位的要求；当倒虹吸的过流量为 55 m3/s 0 m3/s 时（不考虑观音山分水口分流对出口连接隧洞水位降低影响），节制闸全关，分水口前的水深最少为 7.1 m（溢流堰的高度），尺寸为 1m2.5 m 的分水口满足 6.5 m3/s 的分流需求，且能满足进口淹没深度的要求。综上所述，拟定的观音山倒虹吸调度运行方式下，不论来流大小，观音山倒虹吸出口分水口闸前水位均满足分水的要求，且能满足进口淹没水深的要求。倒虹吸出口设置溢流堰后调度运行较为简单，因此选择采用此方案作为倒虹吸水力控制措施。4 溢流堰和闸后流态数值模拟为便于调度运行，尽量减少运行期观音山倒虹吸出口节制闸操作频次及小开度运行5-6，在观音山倒虹吸出口增设溢流堰，溢流堰与观音山倒虹吸出口节制闸共同运用以控制观音山倒虹吸进口分水闸分水水位和进口淹没深度。为考察溢流堰后及节制闸后水流流态，采用 Flow 3D 模拟水流通过溢流堰的流态以及闸室后出流段水流的状态。为了使湍流充分发展并模拟堰后紊流的扰动区域，闸室后蔡家村洞取 80 m 范围。模拟区域的进口为流量边界条件，流量为 45 m3/s（观音山倒虹吸边上两管运行，流量各为 22.5 m3/s，中间管道不运行），出口为水深边界条件，水深为3.89 m（流量为 45 m3/s 时蔡家村隧洞的正常水深），计算的区域见如图 2 所示。?图 2 计算模型范围图图 3 所示为计算区域的水深及流速分布，从中可以看出，当来流量为 45 m3/s 时，堰顶水深约为 1.1 m，计算区域内的最大流速为 9.8 m/s，最大流速发生在过堰水流跌落后与下游水体接触冲击处。?图 3 计算区域内流速分布图 m/s图 4 所示为的溢流堰横剖面（垂直于洞轴线的剖面）的流速分布图，从中可以看出，过堰水352云南水力发电2023 年第 8 期流流态较紊乱，但过堰后的侧向水流未与边墙接触冲刷。通过溢流堰的主流自由跌入下游，跌落后的冲入低处水体后，在底部形成向外侧旋转的旋流，水面表现为外侧高内侧低，低落后的水流顺着两侧的导流渠流量下游，在闸室内交汇后进入蔡家村隧洞。5 结束语滇中引水工程观音山倒虹吸线路长，设计流量大，在输送大流量和小流量时水头损失差别大，采用不同流量分级运行，通过出口节制闸与溢流堰联合控制的方式，在节制闸不局部开启的情况下实现倒虹吸出口分水及进口水位控制。在分析时只有考虑倒虹吸恒定状态下的水力特性，没有对倒虹吸充水过程7-9、工况转换、事故应急等非恒定水力特性进行分析，下一步将建立更加详细的水力模型，对其非恒定水力特性等进行分析。参考文献：1贾西斌.倒虹吸管进口淹没问题探讨J.南水北调与水利科技，2008,6（4）:92-95.2 王仁坤，张春生.水工设计手册：第2版 第8卷水电站建筑物 M.北京：中国水利水电出版社，2013.3李惠英，田文铎，阎海新.倒虹吸管M.北京：中国水利水电出版社，2006.4缪吉伦，王云莉，刘亚辉.长距离过江倒虹吸管道进口掺气及消涡措施研究J.给水排水，2013，39（7）:94-98.5石自堂.大型倒虹吸水力学若干问题研究南水北调中线工程倒虹吸水力设计D.武汉：武汉大学，2004.6 宋贺男.三个泉倒虹吸出口闸门的振动机理研究 D.乌鲁木齐：新疆农业大学，2009.7苏海涛，史德亮，杨青远，等.倒虹吸充水过程水气两相流数值模拟研究J.人民长江，2021，52（S02）:220-227.8李国栋，李建中，许文海，等.大型倒虹吸管充水过程的数学模型与计算J.武汉大学学报：工学版，2007，40（2）:12-16.9 王福军，王玲.大型管道输水系统充水过程瞬变流研究进展 J.水力发电学报，2017，36（11）:1-12.?图 4 过堰水流横切面流速图 m/s（a）堰宽 1/3 处（b）堰宽 2/3 处虽然水流在过堰及跌落的过程中流态紊乱，但在闸后很短的距离内就能形成稳定的均匀流。图 5 所示的是沿洞轴线方向垂直纵切面流速分布图，从中可以看出，水流在两个导流渠交汇处的最大流速约 1.7 m/s，在交汇点流速分布不均，但在交汇点后 10 m 的范围内，流速及水深就趋于稳定。?图 5 沿洞轴线方向垂直纵切面流速分布图图6所示的是计算区域流线分布图，可以看出，导流渠出口两股水流交汇处，向闸室后静水区域形成一定范围的扰流，但向下游方向，两股水流平稳交汇，水流通过溢流堰后并不会影响其在蔡家村隧洞内的稳定流动。?图 6 闸室前后水体流线分布图