闸井式输水口的形式与流态控制技术优化

5.2.4.1 进水口布置要求分析

输水闸井作为输水系统的首部，进水口应满足以下要求：

（1）必须合理安排进水口的位置和高程，在任何工作水位下，进水口都能引进必需的流量。

（2）进水口要求水流平顺并有足够的断面尺寸，按最大流量Qmax设计，并满足输水管盾构出洞要求。

（3）不允许有大的污物进入输水管线，因此进水口要设置拦污、清污等设备。进水口须设置检修闸门，以便在输水系统发生事故时紧急关闭，截断水流，避免事故扩大，也为输水系统的检修创造条件。

（4）进水口布置要合理，进口轮廓平顺，流速较小，尽可能减小水头损失。

（5）进水口要有足够的强度、刚度和稳定性，结构简单，施工方便，造型美观，便于运行、维护和检修。

输水干线采用重力流有压隧洞输水方式，为了与水库平顺衔接，根据进水口地形特点及输水管道的布置，采用明渠引水、有压进水的进水口布置方式。有压进水口的流态主要与进水口的布置、高程和轮廓尺寸等有关。

5.2.4.2 进水口淹没深度分析

岛域输水干线采用两根内径为φ5500的输水管，为了使进入输水管的水流不产生漩涡和吸气性漏斗，确保水流从水库平顺进入输水管，输水管必须具有一定的淹没深度。

输水管最小淹没深度计算按《水利水电工程进水口设计规范》（SL285）附录B有关公式进行。计算方法如下：

（1）从防止产生贯通式漏斗漩涡考虑，最小淹没深度S：

S＝CVd1／2

式中 S——最小淹没深度（m）；

d——输水管直径（m）；

V——输水管平均流速（m／s）；

C——系数，对称水流取0.55，边界复杂和侧向水流取0.73。

经计算，从防止产生贯通式漏斗漩涡考虑，最小淹没深度计算值为3.3m。

（2）为保证进水口内为压力流，最小淹没深度S：

式中 K——安全系数，应不小于1.5；

S——最小淹没深度，应不小于1.5～2.0m；

∑Δhi——输水管前总水头损失（m）；

V——输水管内水流平均流速（m／s）。

经计算，为保证输水管进水口内为压力流，最小淹没深度计算值为0.92m（小于2m，按2.0m取值）。

综合考虑上述两种情况，最小淹没深度取较大值为3.3m。

按照水库起点输水管中心标高－9.0m、内径5.5m计算，管顶标高为－6.25m，则在咸潮期最低运行水位－1.5m工况下，考虑输水管前各项水头损失后，管顶以上淹没深度达4.25m，满足最小淹没深度的要求。

5.2.4.3 进水口形式研究

根据以上进水口布置和流态控制的基本原则，考虑水库水位变幅（最高设计水位为7.0m，死水位为－1.5m）的特点，研究了四种形式的进水口结构方案。

1）方案一：输水涵闸＋进水井结构形式

该方案进水口主要结构包括引水渠、拦污栅、进水池、输水涵闸和进水井。输水涵闸主要用于输水管线检修时，截断水流，保证输水管线无水检修。涵闸由四孔组成，单孔宽6.2m，净高5.5m，底板面高程为－4.0m，垂直水流方向总宽为30.8m，顺水流方向总长为16.0m。进水井的主要功能是作为岛域输水管线的进水池，又是输水管道盾构机的接收井，满足盾构机分解出洞要求，同时输水管线检修时，检修人员和检修机具可从进水井进入。进水井设为两仓，单仓净宽13.0m，顺水流方向长14.6m，垂直水流方向总宽33.0m，顺水流方向井总长19.6m。每两孔涵闸与1仓进水井结合一根输水管线形成一条独立的输水流道。方案一的平面及剖面结构形式见图5-22。

2）方案二：输水涵闸＋进水井＋渐变段结构形式

为了保证水流更顺畅地进入输水管线，在方案一的基础上，在输水管前沿增设一渐变段，从而改善进水井到输水管的水流条件，减少水头损失。根据一般经验渐变段长度为管径的1.5～2.0倍，结合盾构机出洞尺寸要求，本方案渐变段长度设为13.0m。方案二的平面及剖面结构形式见图5-23。

3）方案三：方形深式进水口结构形式

按照一般的电站进水口形式，对上述方案结构进行改进，以进一步改善水流条件。进水口结构包括进口段、闸门段和渐变段，进水口前沿设进水池、拦污栅桥和引水渠。渐变段长10.0m，内径由闸门端的方形（宽8.5m×高5.5m）渐变为圆形（直径为5.5m）。闸门段长10.65m，内设导流墩墙，布设四孔闸门。进口段长3.8m，进口前沿采用圆弧与上部横墙相连接。本工程的水库为平原水库，输水管线埋于地表以下约12.5m，为保证较优的水流条件、减少水头损失，满足设备的布置需要和输水管线的顺畅衔接，进水口所有结构均须通过深开挖深基坑围护施工，进水口与进水池挡土高度都非常高，特别是进水池两侧的挡墙悬臂最大高度达17.70m，挡土最大高度达13.70m，不但挡墙本身结构复杂，而且施工基坑围护难以实施。方案三的平面及剖面结构形式见图5-24。

图5-22 方案一结构布置图

图5-23 方案二结构布置图(www.xing528.com)

图5-24 方案三结构布置图

4）方案四：圆形深式进水口结构形式

充分利用圆形基坑地连墙自身形成圆环、刚度受力较为合理、无须设置基坑开挖时的围檩支撑的特点，较好地解决了方案三存在的挡土高、基坑围护施工难度高等困难，并将渐变段、闸门段、进口段和进水池均布置于圆形地连墙结合桁架支柱围护结构内。围护结构外部地连墙的内半径为30m，地连墙厚1.0m。围护结构的内部为柱梁结构，各层横梁之间采用钢筋混凝土斜撑杆连接，从而形成内部的梁柱框架结构。外部的地连墙与内部框架之间通过水平桁架和斜桁架相连接，构成了基本上以地连墙抗拉和柱梁桁架受压的围护结构系统。围护结构内部布设进水口，进水口结构基本上与方案三相近。内外围护结构顶部布置环形交通道，以满足进水口巡视与闸门、拦污栅的检修维护要求。方案四的平面及剖面结构形式见图5-25。

图5-25 方案四结构布置图

四种进水口方案比较见表5-8。

表5-8 进水口结构形式方案比较

根据表5-8，四种方案均满足过流流量要求和输水管线的淹没深度要求，从输水功能上都是可行的。方案二较方案一增加渐变段，工程费用和施工难度较大。方案三水流较方案一、二平顺，但结构复杂，特别是进水池挡土高度大，基坑支护施工困难，且工程费用较方案一多出1278.8万元。方案四水流条件与方案三相近，但围护结构也非常复杂，结构受力不明确，实施较困难，施工工期长。

综合考虑上述各方面因素，由于方案一具有施工经验成熟，工程费用较省，故设计推荐方案一。

5.2.4.4 输水闸井进水流态控制技术研究

为了验证和优化进水口体型，满足进水口各工况输水量要求以及进水井中不发生吸气型贯穿性漏斗，确保输水管线的正常运行，委托河海大学进行了整体水工物理模型试验。进水口输水规模见表5-9。

表5-9 进水口输水规模

注：事故检修工况：进水井一孔过流、一孔检修，涵闸两孔过水；

正常运行工况：进水井两孔过流，涵闸四孔过水。

图5-26 试验模型全景图

模型按重力相似准则设计，兼顾阻力相似。根据试验要求，采用模型比尺λL＝35。模型模拟包括整流段和尾水池，模型总长度约26.0m（相对于原型约900.0m），总宽度6.0m（原型210.0m）。模型全景见图5-26。

1）水流流态与水头损失

（1）进水池无导流隔墩。双管输水时（流态观测采用3倍设计流量），上游引水渠来流平顺，进水井内有局部水面微凹现象。

单管输水时，上游引水渠来流平顺，水流经过拦污栅后，进水池内水流侧向收缩较大，进水井内水面波动明显，有局部水面微凹现象，输水管前两侧有间歇性吸气漩涡发生，吸入的气泡均被水流带走，输水管顶无气泡聚集。

单根输水管线检修运行时，相应输水管前的总水头损失大于0.3m，不能满足设计要求，须对结构布置进行局部优化，以提高输水效率；其余工况下输水管前的总水头损失均小于0.3m。

（2）进水池内增设导流隔墩。为改善进水池内水流流态，减少输水管前的总水头损失，在涵闸前的进水池内设置导流隔墩。

设置导流隔墩以后，各工况下上游引水渠来流平顺，过拦污栅水流平稳；正常运行情况下输水管前进水井内未发现吸气漩涡的不良流态，但单管检修工况下，进水井内均有间歇性吸气漩涡发生。输水管内水流在5倍管径后水流趋于平顺，无气泡积聚等不良水力现象。

为确定合理的导流隔墩长度，分别采取了不同长度（7.00m、10.5m、14.00m、17.5m、21.00m）进行模型试验，与无导流隔墩方案进行比较，单管检修流量60.83m3／s、库水位为－1.50m时输水管前水头损失见表5-10。

表5-10 不同长度导流隔墩总水头损失

由表5-10可知，中墩长14m时，水头损失最小。未设隔墩时，进水池内水流侧向收缩严重，因墩前绕流作用，输水涵闸有效过水断面减小，从而使水头损失增大；在涵闸前进水池增设隔墩后，使墩前绕流提前，改善了输水涵闸内水流流态，减小了水头损失，但当隔墩过长时，进水池内水流流线转折过大，反而使水头损失增大，因此试验成果表明设14.00m长的隔墩最为适宜，能有效减少水头损失，提高输水效率。进水池内设置14m长隔墩后，进水池段、涵闸段、进水井段水头损失最大值均发生在咸潮期单管检修工况（相应库水位－1.50m，流量60.83m3／s），最大总水头损失为25.18mm，满足设计要求。

2）消涡措施研究

由模型试验可知，在进水池内设导流隔墩以后，单管检修工况下，进水井内有间歇性吸气漩涡发生，须专门进行消涡措施研究。

间歇性吸气漩涡是指在某些水位和流量下，水面形成了一种时而吸气、时而不吸气的漩涡运动现象。试验中尝试了多种消涡措施（漂浮式消涡栅、漂浮式消涡网、固定式消涡板、八字消涡板、固定式消涡梁等），试验结果表明设置消涡梁的效果最好，而且又利于进水井结构安全。

图5-27 设置消涡梁后进水井内流态

对进水井中增设的消涡梁的根数、间距、截面面积、布置形式等都分别做了试验研究，并根据消涡效果确定合适的消涡梁布置形式，据此确定固定式消涡梁共设5根，上下交错布置，上下两层梁间距为0.50m，消涡梁截面积均为1.00m×1.00m。设置消涡梁后进水井内流态见图5-27。

3）优化措施

水工模型试验成果表明：输水干线进水口工程总体布置适宜；但输水涵闸前进水池不设导流隔墩时，水库在最低水位－1.50m单管检修工况，输水管进口前两侧有间歇性吸气漩涡发生；双管运行工况，输水管进口前有局部水面微凹现象。

经水工模型实验验证，采取的优化措施如下：

（1）在输水涵闸进水池前增设14.00m长中墩，有效减少输水管前总水头损失，并改善进水流态；

（2）在进水井中设置5根固定式消涡梁，消除间歇性吸气漩涡。