鄂北工程孟楼～七方倒虹吸放空系统消能设计

鄂北工程孟楼～七方倒虹吸放空系统消能设计
摘要：鄂北工程孟楼~七方倒虹吸有10个放空系统采用深筒式消能井，具有放空流量大、放空管径粗的特点。

通过水力计算初步确定放空流量及消能井尺寸，利用数学模型与概化物理模型对放空效果进行模拟分析，并由数学模型分析时均压力、底板中心冲击压力，确定深筒式消能井关键设计指标管口距。

模拟结果表示消能井内流态良好，水流能平稳进入后续消力池中。

关键词：放空系统；深筒式消能井；数学模型；概化物理模型
工程概况
鄂北地区水资源配置工程是为了解决鄂北地区水资源紧缺、水资源利用效率低等问题，从丹江口水库清泉沟引水分配补给鄂北地区，缓解该地区缺水矛盾。

鄂北地区水资源配置工程输水线路全长269.672km，其中从老河口市孟楼镇至枣阳市七方镇段为倒虹吸工程。

该倒虹吸工程由进、出口段、沟埋PPCP管段和跨河管桥段组成，埋管段由3根DN3800mm的PCCP管并排布置，设计流量
38.0m3/s。

为了确保倒虹吸段输水安全及满足检修的需要，沿线布置15个放空系统。

放空采用自流排水与强排抽水相结合的方式排除管道内积水，根据倒虹吸管线高程分为3个批次放空，自流最大流量4.58 m3/s～10.35 m3/s。

放空系统结构特点
采用深筒式消能井
深筒式消能井是利用射流对井底的冲击力来进行效能的一种方式[1]。

目前国内外有很多水利工程应用消能井工程实例，如石桥水电站[2]、松塔水电站[3]。

经过方案比选、经济对比，结合地理地形特征，10个放空系统采用深筒式消能井能达到理想消能效果，同时由于其结构简单便于施工，还能减少工程占地、缩减投资。

放空流量大、管径粗
在孟楼～七方倒虹吸10个采用消能井消能的放空系统中有5个放空系统设计流量大于10 m3/s，而国外工程设计流量普遍小于1 m3/s。

此外国外工程使用管径的直径均小于1m，而鄂北工程放空系统为了满足工程检修及应急调度所需的时间要求，选择了1m粗管径进行放空。

通过以上对比，可知鄂北地区水资源配置工程中放空系统具有放空流量大、放空管径粗的特点。

放空系统结构设计
放空系统主要确定的水力参数有放空流量Q、消力井井深d与井宽b。

在10个采用消能井的放空系统中以樊庄放空为例进行计算，樊庄放空自流放空水头7.99m，放空管径1m。

放空流量计算
图 0-1流量计算原理
1-1断面至2-2断面间能量守恒方程（如图 0-1）：
式中：H—上下游测压管水头差；hj—放空过程中局部水头损失；hf—放空过程中沿程水头损失，由于管道较短，忽略不计；α1、α2—流速不均匀系数；ξ—为局部损失水头系数，由水力模型试验确定，如图 0-1，分为放空管损失系数和消
能井损失系数，当自流放空水头为7.99m时，损失系数为1.48。

图 0-1放空系统局部水头损失系数随放空水头变化曲线
由上式求得：
深筒式消能井尺寸计算
参考《水力计算手册》设计步骤，初步确定消能井井深d与井宽b。

水流参数
由，以及给定，查《水力计算手册》表得，则b=2.8m，d=4.2m。

此尺寸是
理想状态下计算的消能井最小尺寸，还需要根据整体放空系统的调控、地形地貌、放空流态进行调整。

放空系统模型模拟
由于放空系统采用深筒式消能井进行消能，且具有流量大、管径粗特点，缺
乏可参考的工程实例，因此，在进行结构设计时，有必要通过数学模型和概化物
理模型对消能井尺寸、放空过程进行模拟和调整。

管口至消能井井底距离是深筒
式消能井的设计要点之一，设计不当会影响消能效率，而目前没有明确的水力计
算方法。

通过数学模型模拟，研究管径1m时消能井内流态，确定管口至井底距离，并根据数学模型结果通过概化物理模型进一步验证消能效果。

数学模型
采用带自由表面的三维k−ε气液两相紊流模型，和VOF法追踪模拟自由表面，并采用SIMPLER算法进行收敛计算。

模拟结果
1）消能井内流态分析
选取流量10.3m3/s、井宽5.6m（也选定其它几种井宽尺寸，文章中仅以
5.6m为例）、管口距1.5m工况进行流态分析。

消能井内的流动区域可划分为三
个区域：射流区、壁射流区及紊动扩散区。

水流流出放空管瞬间，管道中心区主
流近似呈直线射向井底，少量水流以一定扩散角度向四周散开，此区域为射流区；主流冲击消能井底，并受到井底的阻挡而在消能井底部向四周扩散，水流速度减
小压力增大，此区域为壁射流区；主流受井底阻挡射出后，受四周井壁的约束影响，使水体在消能井相互掺混、撞击、翻滚，耗散大量能量，此区域为紊动扩散区。

最后，水流向上运动从溢流通道流向下游。

当改变管口距、流量级进行相同
模拟过程，消能井内流态与流量10.3m3/s、井宽5.6m、管口距1.5m工况基本一致。

2）管口距确定
通过研究时均压力、底板中心冲击压力确定适宜管口距，选取井深10m、井
宽5.6m进行模拟。

消能井底板时均压力相对输水管轴线呈对称分布，管轴线中心
时均压力最大，向四周外延压力逐渐减小，至最外边缘局部又有所增大。

管口距
相同时，时均压力随着流量减小而降低。

此外，在相同流量条件下，管口距由
0.5m增至1.5m时，时均压力呈减小趋势，而管口距由1.5m增至5.5m时，时均
压力变化不显著。

这说明管口距在0.5m~1.5m范围内，时均压力变化幅度相对较大，且随着管口距增大，时均压力减小。

流量、管口距对底板中心冲击压力产生的影响：在相同管口距情况下，消能井底
板中心冲击压力随流量的增大而增大；在相同流量下，消能井底板中心冲击压力
随管口距的增大呈减小趋势。

当管口距0.5m～1.5m范围内时，消能井底板中心
冲击压力随管口距的增大，其衰减幅度较大；当管口距由1.5m增至5.5m时，消
能井底板中心冲击压力衰减幅度较小。

以上说明管口距小于1.5米时，对底板中
心冲击压力影响较大。

综上所述，管口距0.5m～1.5m时，管口距对消能井底板的时均压力、冲击
压力影响比较大，1.5m为临界值。

因此，管口距确定为1.5m。

典型放空概化物理模型试验
为验证数学模型结论，选取唐河放空进行概化物理模型试验，根据消能井的
布置、水力条件（如水头、流量等设计）以1：10比例制作物理模型。

模型供水
系统为金属管道，放空管道采用10cm有机玻璃管，消能井及消力池等采用有机
玻璃制作。

模型制作安装精度满足《水工（常规）模型试验规程》SL155-2012的
要求。

图 0-1唐河放空系统纵剖面布置图
唐河放空系统消能采用活塞阀、消能井相结合方式。

消能井宽为5.6m，净高17.54m，底板高程为60.76m，采用封闭式，顶板高程为80.0m。

放空溢流出水口
高程为72.0m，后接长12m矩形消力池，放空至唐河支沟，其中消力池尺寸为
6.1m×3m（高×宽）。

消能井放空管管口距为1.5m，管径为1m。

放空详细结构设
计见4-1。

流态分析
由概化模型模拟结果可知，放空水流经过消能井消能后，能平稳进入消力池。

具体过程如下：水流在消能井内流态平稳，水面波动较小，通过监测消能井底板
最大冲击压力9.13×9.81KPa（计算其冲击压力为9.25×9.81KPa）；在消能井溢流
出口处水深为2.3m～3.2m，流速为1.24m/s；当水面跌落进入消力池，消力池内
的水深为2.45m～2.9m，流速1.28m/s，在消力池内未见水体溢出边墙，尾坎上
水深为1.5m~1.75m，流速2.10m/s，水面波动较小。

由此可知，采用深筒式消能井、粗管径、管口距为1.5m时，放空系统消能效果良好，能满足消能要求。

结语
孟楼～七方倒虹吸放空系统10个采用深筒式消能井进行消能，具有放空流量大、放空管径粗等特点。

通过水力计算，初步确定放空流量及消能井尺寸。

同时
为验证放空效果，借助数学模型与概化物理模型进行消能模拟，通过研究时均压力、底板中心冲击压力确定关键设计指标管口距。

从模拟结果以及消能井内水流
流态，可知深筒式消能井能达到很好的消能效果，满足设计要求。

参考文献：
[1]李炜.水力学计算手册(第2版）[M].北京：中国水利水电出版社,2006.
[2]鲁林.石桥水电站供水管路消能井设计与施工探析[J].中国水能及电气
化.2016(6):51-53.
[3]赵红娟.松塔水电站供水管路消能井设计[J].小水电.2014(5):33-35.。