进口段水力设计优化

1．运行条件的确定

由于倒虹吸输水流量变幅范围为5～35m3/s，输水线路长达11km，水头损失相差较大，输送流量35m3/s和5m3/s的水头损失就相差24m左右。如何保证在变流量输水情况下，进水口前水流流态平稳、满足最小淹没水深的要求、避免管道进气引起管道压力波动等危害，取决于运行条件的确定。对运行条件选择了三个方案进行比较。

方案一：出口闸门不进行控制，进口设置深度满足最小输送流量5m3/s时的淹没深度。

方案二：根据供水工程受水区的需水过程分析，在工程建成后，按设计流量（流量30．5m3/s）输水是一个长期的工况，因此，取设计流量为常用输水流量。在常用输水流量时，出口闸门全开不进行控制，小于常用流量采用出口闸门控制。

方案三：输送加大流量（流量35m3/s）时，出口闸门不进行控制，其他流量均采用出口闸门控制，即正常运行工况均需出口闸门控制。

三个方案比较情况见表3．2。

表3.2　方案比较情况表

由表3．2可知，方案一虽在运行时不需控制，运行管理方便，但从技术上分析，施工难度较大，由于输水明渠水位与最小流量时的前池水位相差达20多m，若使进口水流平稳，必须进行消能和水位衔接，无论从技术上还是经济上均不合理。方案二虽在小流量时需出口闸门局部开启，但从受水区需水量分析，输送设计流量是长期的工况。从长期运行来讲，可能初期运行输水流量小，出口闸门必须进行控制，管理较为繁琐，但长期运行时，输水流量为设计流量，出口闸门全开无需进行控制，管理方便。另外，根据模型试验显示，出口闸门在局部开启时，出口的淹没水跃表面会旋辊打击闸门，这种动水荷载会引起闸门的振动，虽根据南京水利科学研究院“倒虹吸出口闸门弹性振动试验研究”专题报告中的各项要求来设置出口闸门，以保证出口闸门在各种工况下具有抵抗振动的能力，但是在长期运行工况情况下，即过设计流量时，若采取出口闸门局部开启来提高进口水位以满足管道进水口的要求，则出口闸门由于长期处于局部开启状态，即长期受到振动，不利于出口闸门的运行安全。因此，从闸门长期运行安全来分析，在长期运行工况条件下，最好出口闸门全开，闸门运行更加安全可靠。方案三虽然进水口规模最小，投资最省，但出口闸门长期处于局部开启状态，即长期受到振动，不利于出口闸门的运行安全，运行管理较为繁琐。(www.xing528.com)

经综合分析，选用运行管理较为方便、闸门运行更为安全的方案二较为合理，即管道输送设计流量、加大设计流量时出口闸门全开不进行控制，而在引用小流量时通过调节出口闸门开度控制进口水位。

2．进水口体型的研究

根据推荐的运行条件，倒虹吸工程在出口闸门全开情况下，通过加大设计流量35m3/s时，PCCP管道糙率系数取0．0135、T形盲孔的局部水头损失系数采用0．1，此工况下进口前池水位最高，为575．68m。在设计流量30．5m3/s时，PCCP管道糙率系数取0．012，T形盲孔的局部水头损失系数采用0．01，此工况下进口前池水位最低，为563．22m。两种工况条件下进口前池水位相差12．46m。为使前池水位大幅度变动时，进水口不出现妨碍正常引水的流态，经反复研究，将原涡曲面连接改为在上游渠道与前池之间设置三级跌水消能工的方案，跌水消能工不仅消能率高，位置稳定，且适应能力强，能够根据上游来流水位与倒虹吸进口前池水位差的变化自动调节消能，保证上游来流平稳地过渡到倒虹吸正常运行所需的前池水位。经计算，三级跌水高度分别为4．5m、4．5m、4．12m。在三级跌水下游设导流孔，导流孔孔高1．7m，在引用加大设计流量时，导流孔出口流速平均为2．06m/s，水流呈缓流流态，避免了前池流态转换。导流孔不仅能够调整水流进入前池的流向，而且具有很好的稳定和消波作用。为了防止前池内水位波动过大，避免管道进气，倒虹吸工程运行过程中需控制前池内的水位在导流孔出口顶板高程563．00m以上。经模型试验验证，进口段设置三级跌水和导流孔方案有效地解决了前池水位变幅较大的问题，且前池水位流态非常稳定。

以前池最低水位563．22m作为控制水位，为了满足进口不产生吸气型旋涡的最小淹没深度要求，根据计算加大设计流量35m3/s、设计流量30．5m3/s对应的最小淹没深度分别为2．59m、2．25m，由此确定管道中心高程为560．50m。

从运行管理方面分析，倒虹吸在通过大于等于设计流量时，出口闸门无需关闭，而这种工况是长期工况，运行管理较为方便、安全。倒虹吸在输送小于设计流量时，需采用出口闸门控制开度，以保证进口水位在淹没深度以上。

从运行工况、出口闸门的长期运行安全、运行管理等综合分析认为，根据模型试验确定的体型，可以满足长期安全运行的要求。