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