压力管道内的压力分布优化方案

(1)单孔进水口方案(单Ⅰ)。清华大学在单孔进水口方案模型上共安装138个测压管,分布于管道的上顶、底部及管的侧壁中线上,在弯曲段测压管布置得密些,平直段测压管布置得疏些(该方案的测压管布置见图8.13)。在上游水位135.0m及145.0m时测得各测点压强大小沿程分布如图8.15及图8.16所示。从整体来看,压强在管壁上的分布并无异常现象,总压坡线变化也比较平顺。但在上游水位135.0m时进口顶部出现小的负压,这表明该处在水位低时出现脱流现象,这种现象在145.0m水位时即已消失;另外在135.0m水位时进口段侧壁及进口下边壁处出现脱流以致局部压强分布出现突然跌落,这表明该两处的边壁曲线体型并不理想。在145.0m水位时,脱流现象仍然存在,以致出现压强的突然变化。故单孔进水口进口段体型需要优化。

图8.13　单孔进水口Ⅰ方案测压管布置图

(a)钢管纵剖面图;(b)进水口段A—A剖面图
(注:高程、桩号单位:m,尺寸单位:cm)

长科院观测结果为[20],进口段内时均压强分布未发现局部突然跌落现象;压力管道内压强脉动值很小,最大振幅换算到原型约为1.30m,与相应水头比仅为1.2%,其主频为1～4Hz,表明其中水流是平稳的。

图8.14　双孔进水口Ⅰ方案测压管布置图(单位:m)

(a)钢管纵剖面图;(b)进水口段A—A剖面图

图8.15　单孔进水口Ⅰ方案135.0m水位时进口及管道压强分布

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图8.16　单孔进水口Ⅰ方案145.0m水位时进口及管道压强分布

(2)双孔进水口方案(双Ⅰ)。清华大学在双孔进水口方案的模型上共安装190个测压管,除分布于管道的上顶、底部及侧壁中心三条线上以外,又在中墩上布设19个测点,以判断中墩上承受水压力的情况(该方案的测压管布置见图8.14)。在上游水位135.0m及145.0m时,测得的各测点压强沿程分布如图8.17及图8.18所示。从整体来看,在管壁上的压强分布也无异常现象,各处压强的大小是合理的,压坡线变化较单孔方案更为平顺,特别是在进口段,压强分布无突然变化,且低水位(135.0m)时,管壁未出现负压;进口段的管壁中线上虽也有因为侧壁曲线不理想而出现的局部压强突然变化,但其突变值远小于单孔方案相应位置出现的突变值。在上弯段及下弯段均未出现由于弯段引起的管壁压强的明显增减。

图8.17　双孔进水口Ⅰ方案135.0m水位时进口及管道压强分布

图8.18　双孔进水口Ⅰ方案145.0m水位时进口及管道压强分布

图8.19　双孔进水口Ⅰ方案中的墩表面压强分布

中墩上的测压管均位于管高的一半处,在上游水位135.0m及145.0m时的压强沿程分布如图8.19所示。中墩上压强的分布很不理想,由于中墩首部较宽,故在侧壁上水流形成分离而出现了压强的突然跌落,这种跌落在水位较低时更为突出。在未进入渐变段以前(即0+010m桩号以前),压强沿程降低是合理的。进入渐变段以后则压强沿程略有增加。但由于中墩边壁出现明显的“折点”,故折点后中墩边壁上出现了水流分离,而使两处压强出现了明显的突然降低(水位低时这种突降更为明显)。此外,由于中墩尾部体型存在小圆弧,故该处的压强分布也出现了突变。因此,中墩的体型及中墩置于渐变段中的位置很不理想,对此需进一步优化。

长科院观测结果大致与前述单孔口方案相同[4]。