长江科学院院报

长江科学院院报 >

2024 , Vol. 41 >Issue 10: 101 - 109

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240663

水力学

引江补汉工程控制枢纽品字型双层闸门水力控制技术

  • 刘运佳 , 1 ,
  • 游万敏 1 ,
  • 张磊 2 ,
  • 潘天文 1
展开
  • 1 长江设计集团有限公司,武汉 430010
  • 2 保利科技有限公司,北京 100010

刘运佳(1990-), 男,湖北襄阳人,工程师,硕士,主要从事水利水电工程设计。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2024-06-24

  修回日期: 2024-08-23

  网络出版日期: 2024-10-25

基金资助

长江设计集团自主创新课题项目(CX2022Z02-1)

收起

Hydraulic Control Technology for Double-deck Gate of a Control Sluice for the Yangtze-Hanjiang River Diversion Project

  • LIU Yun-jia , 1 ,
  • YOU Wan-min 1 ,
  • ZHANG Lei 2 ,
  • PAN Tian-wen 1
Expand
  • 1 CISPDR Corporation, Wuhan 430010, China
  • 2 Poly Technologies Inc.,Beijing 100010,China

Received date: 2024-06-24

  Revised date: 2024-08-23

  Online published: 2024-10-25

Fold

摘要

石花控制闸是引江补汉工程的控制枢纽,采用品字型双层闸门布置解决了引江补汉工程高水头、超长有压输水水力控制关键技术难题。为了探究石花控制闸品字型双层闸门水力控制技术,采用数值计算和水工模型试验的方法开展研究:①采用一维、三维耦合数学模型计算控制闸启闭引起的系统水力过渡过程,为工程设计提供边界条件;②采用物理模型试验分析控制闸体型的合理性。结果表明:系统沿线最大、最小压力均满足相关规程要求;控制闸内水流流态、压力分布等指标正常,控制闸体型合理。石花控制闸总体设计方案合理,布置方式和研究方法可为其他类似工程提供参考。

关键词： 品字型双层闸门; 长距离输水; 水力过渡过程; 水力控制; 石花控制闸; 引江补汉工程

本文引用格式

刘运佳 , 游万敏 , 张磊 , 潘天文 . 引江补汉工程控制枢纽品字型双层闸门水力控制技术[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(10) : 101 -109 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240663

Abstract

Shihua sluice serves as the control hub for the Water Diversion Project from the Three Gorges Reservoir to the Hanjiang River. A double-layer gate layout is employed to address key technical challenges in hydraulic control such as high-head and long-pressurized water conveyance. Numerical calculations and hydraulic model tests were conducted to explore the hydraulic control technologies in the double-layer control gate. A one-dimensional and three-dimensional coupled mathematical model simulates the hydraulic transition process resulting from the opening and closing of the control gate, providing essential boundary conditions for engineering design. Physical model test analyzes the rationality of the control gate shape. Findings indicate that the maximum and minimum pressures throughout the system comply with relevant regulations. Parameters such as water flow patterns and pressure distribution are normal, and the shape configuration is appropriate. Overall, the design scheme for the Shihua sluice is effective. Its layout and our research methods offer reference for similar projects.

Key words： double-deck gate; long distance water delivery; hydraulic transition process; hydraulic control; Shihua sluice; Water Diversion Project from the Three Gorges Reservoir to the Hanjiang River

0 引言

引江补汉工程作为南水北调后续首个开工项目,是全面推进南水北调后续工程高质量发展,加快构建国家水网主骨架和大动脉的重要标志性工程,主要任务是从长江三峡库区引水入汉江,提高汉江流域的水资源调配能力,增加南水北调中线工程北调水量,提升中线工程供水保障能力,并为引汉济渭工程达到远期调水规模、向工程输水线路沿线地区城乡生活和工业补水创造条件。工程建设内容主要包括输水工程和汉江影响河段综合整治工程两部分,其中输水工程由进口建筑物、输水隧洞及检修交通洞、石花控制建筑物、出口建筑物和检修排水泵站等组成,线路全长194.7 km,涉及湖北省宜昌市、襄阳市和十堰市3个地级市的夷陵区、远安县、保康县、谷城县和丹江口市5个区县(市)[1⇓⇓⇓-5]。
石花控制闸是石花控制建筑物的重要组成部分,是引江补汉工程的“水龙头”,具有启闭系统和限制流量的重要功能,直接决定引江补汉工程输水系统的正常运行。引江补汉工程水力控制纵剖面示意图如图1所示。高水头、超长距离的有压隧洞具有复杂的水力过渡过程,系统启闭过程中控制段水流流态演变过程复杂,需要实现长期高压控流运行,目前国内外尚无类似工程应用实例,类似指标的控制闸阀也无成功应用先例。高水头、超长有压输水水力控制技术是引江补汉工程的关键技术难题,为此,采用数值计算和水工模型试验等手段对石花控制闸的水力控制设计进行分析和讨论,为输水隧洞和控制闸结构设计提供技术支撑,也可为其他类似工程的水力控制提供参考。
图1 引江补汉工程水力控制纵剖面示意图

Fig.1 Longitudinal profile of hydraulic control for the Water Diversion Project from the Three Gorges Reservoir to the Hanjiang River

1 研究对象

引江补汉工程采用有压单洞输水,一般而言,有压隧洞为实现对系统的控制,将控制闸设置在出口,检修闸设置在进口。基于减少后段30 km浅埋段内水压力、降低工程风险、降低施工难度、控制造价等方面考虑,引江补汉工程将控制闸前移30 km,将有压隧洞末端控制调整为中部控制[3]。
非引水期石花控制闸(图2)前164 km与上游三峡库区连通为高压洞段,后30 km与下游安乐河连通为低压洞段;引水期全段按一个渐变的水力坡降线降低压力。在非引水期和引水期切换时,如何实现高内水压差与平稳内水压力的转变是中部控制方案亟待解决的问题。
图2 石花控制闸三维轴测图

Fig.2 Three-dimensional axonometry of Shihua sluice

输水系统水力过渡过程主要发生在控制闸启闭过程中。与电站运行方式不同,输水隧洞的水力过渡过程主要由控制设备的启闭时间和启闭速率变化规律决定[6⇓⇓⇓-10]。根据水力控制设备的不同,石花控制闸可分为阀控方案和闸控方案两类。研究过程中,从运行可靠性、设备检修维、水力衔接方式、施工难度和工程投资等方面,对两种控制方式进行综合比选,最终选择了闸控方案。
闸控方案顺水流向依次包括调压井兼工作门井、底孔和中孔、消力池段、检修门井,长约256 m,为地下结构。
调压井兼工作门井井底高程65 m,井顶高程198 m。井后按高程65 m和104 m分为上下两层。下层为双底孔,底高程65 m,矩形断面;上层为单中孔,底高程104 m,溢流面采用抛物线型。底孔和中孔在平面上错开布置,但均向后连通至闸后消力池。消力池断面型式为城门洞型,底高程65 m,顶高程114 m。消力池末端为检修门井,井底高程65 m,井顶高程164 m。
中孔工作门选用弧形门,采用液压启闭机操作;中孔检修门选用平面滑块门,桥机借助抓梁操作。底孔工作门选用平面定轮门,采用固定卷扬式启闭机操作,每孔各设1套;底孔检修门选用平面滑块门,每孔各设1套,共用闸顶桥机借助抓梁操作。
输水系统开启时,先同步缓慢开启中孔弧形工作门,弧门全开后再同步开启底孔两扇平面工作门。系统关闭时,先同步关闭底孔两扇平面门,再缓慢关闭中孔弧形门。

2 水力控制数学模型与物理试验研究

引江补汉工程194 km输水系统的启闭及控流均依赖于石花控制闸,其水力特性直接关系到整个工程运行的灵活性、可靠性和安全性,因此采用数学模型计算和物理模型试验的方法共同研究。考虑到输水系统长度达194 km,物理模型试验费用和周期难以接受,因此,先采用数学模型研究石花控制闸对输水系统整体的水力控制效果,再采用物理模型试验进一步研究石花控制闸的局部体型。
数学模型研究重点为石花控制闸的启闭过程对系统沿程水头以及闸内部最低、最高水位的影响,为竖井、隧洞等结构设计提供边界条件;物理模型旨在证实石花控制闸中孔堰面曲线线形的合理性,用恒定流代替瞬态流,重点关注时均压力与水流空化数。

2.1 数学模型计算研究

引江补汉一维与三维局部耦合模拟示意图如图3所示。图3中1D MOC是一维特征线法(Method of Characteristics,MOC),3D CFD是 计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)。一维水锤模型计算量较小,可较为快捷地模拟过渡过程中有压隧洞内压力变化,但无法反映弧门孔口流量与闸后复杂的流态及其演变[11⇓-13];三维水动力模型可全面模拟过渡过程中有压隧洞内压力变化、弧门孔口流量与闸后流态及其演变,但囿于计算量过大不具备可行性[14-15]。因此计算时采用一维与三维耦合计算技术,模拟各种边界条件下的水力过渡过程。石花控制闸闸前和闸后均采用一维水锤模型,控制闸采用三维水动力模型。其中,三维模型网格数约121万。
图3 引江补汉一维与三维局部耦合模拟示意图

Fig.3 One- and three-dimensional local coupling simulation

2.1.1 计算模型

2.1.1.1 一维水力系统计算模型

一维计算采用特征线法,各管道和边界结点的布置和连接如图4所示,上面一排数字表示管道编号,下面一排数字表示结点编号。管道直径范围9.7~10.8 m,单管长度范围48~16 273 m,一维计算域中管道总长193.5 km,水击波速统一取为1 200 m/s,糙率统一取为0.012,管道沿程阻力系数范围8.116×10-3~8.412×10-3,各个管道的具体参数如表1所示。
图4 一维水力系统结点布置示意图

Fig.4 Node layout of one-dimensional hydraulic system

表1 一维水力系统各管道参数

Table 1 Pipeline parameters of one-dimensional hydraulic system

管道编号 长度/m 直径/m 波速/(m·s-1) 糙率
0 1 440 10.8 1 200 0.012
1 16 110 10.8 1 200 0.012
2 12 662 10.7 1 200 0.012
3 8 139 10.7 1 200 0.012
4 15 599 10.7 1 200 0.012
5 15 904 10.4 1 200 0.012
6 12 617 10.4 1 200 0.012
7 629 10.4 1 200 0.012
8 14 250 9.7 1 200 0.012
9 12 746 9.7 1 200 0.012
10 2 954 9.7 1 200 0.012
11 16 273 9.7 1 200 0.012
12 3 558 9.7 1 200 0.012
13 13 002 10.0 1 200 0.012
14 2 167 10.0 1 200 0.012
15 15 624 10.0 1 200 0.012
16 48 10.0 1 200 0.012
17 13 612 10.0 1 200 0.012
18 12 896 10.0 1 200 0.012
19 3 285 10.0 1 200 0.012
图4中0和21号结点分别为上游水库和下游水库;1、3、4、6、7、10、12、14、18、19、20号结点为调压室(或施工支洞),各个调压室的具体参数如表2所示;16和17号结点为一维与三维耦合结点;其余结点为连接结点。
表2 一维水力系统各调压室参数

Table 2 Parameters of surge chamber in one-dimensional hydraulic system

调压室编号 底部高程/m 截面面积/m2 高度/m
1 137.47 942.21 47.53
3 127.35 857.66 285.15
4 123.28 989.21 334.72
6 120.52 801.26 364.48
7 110.01 860.52 231.99
10 109.09 1019.16 232.91
12 103.07 618.65 126.93
14 95.68 605.95 189.32
18 65.09 975.06 67.91
19 68.40 523.87 111.60
20 73.07 460.24 86.93

2.1.1.2 可压缩水体三维CFD计算模型

在水力学研究中一般假设水体不可压缩,而在研究水击问题时,则必须考虑水体的压缩性。
通用形式的水流控制方程可以表示为
$\left\{\begin{array}{l}\frac{\partial \rho}{\partial t}+\operatorname{div}(\rho \boldsymbol{v})=0 ; \\ \rho \frac{\mathrm{d} \boldsymbol{v}}{\mathrm{d} t}=\rho F-\operatorname{grad} p+\mu \Delta v+\frac{\mu}{3} \operatorname{grad}(\operatorname{div}(\boldsymbol{v})) 。 \end{array}\right.$
式中: ρ为密度;v为流体的速度矢量;F为单位质量上的质量力分布函数;p为压强;μ为动力黏度;t为时间。
若要计入水体压缩性,则密度ρ也为未知数,需添加一个描述密度与其他流场变量关系的状态方程。
其中,水体的状态方程可以表示为
d ρ d p = ρ K 　 。
式中K为体积弹性系数。
式(2)为常微分方程,求解可得
ρ = ρ 0 e ( p - p 0 ) / K 　 。
式中ρ0和p0分别为初始时刻的密度和压强。
无界流体小扰动下的水体波速a可以表示为
a = K ρ 　 。
式(4)可以进一步写为
K = a 2 ρ 　 。
将式(5)代入式(3)可得
ρ = ρ 0 e x p ( p - p 0 ) / ( a 2 ρ ) 　 。
在压强已知的情况下可以直接求解。

2.1.1.3 一维和三维耦合计算方法

一维与三维耦合计算的基本思路是按流动特性将计算区域分为两部分:①渐变流区域,流场变量几乎只沿流向变化,可以简化为一维流动,采用特征线法求解;②急变流区域,流动三维特性显著,需采用三维CFD方法求解。建立起两个计算区域并指定相应解法后,需要给定一种在公共边界即时传递数据的方法,将两个计算域耦合起来。
考虑一个上游侧为一维特征线网格、下游侧为三维CFD网格的简单系统,如图5所示,其中P点为特征线网格的下游边界,1-1断面为CFD网格上游边界。这里P点和1-1断面实为同一边界,但流场变量在P点表现为积分形式的水头和流量,而在1-1断面表现为离散形式的压强和流速。
图5 耦合边界示意图

Fig.5 Coupling boundary

若第n时间步流场各变量已知(包括一维和三维区域),则可建立S点和P(n+1)点(上标表示时间步n+1)的c+方程,即
H P ( n + 1 ) = H S ( n ) - B Q P ( n + 1 ) - Q S ( n ) 　 。
其中,B=a/(gA),由于SP段很短,这里忽略了沿程水头损失。
式中: H P ( n + 1 ) 、 Q P ( n + 1 )分别为P点第n+1时间步公共边界上的水头和流量; H S ( n ) 、 Q S ( n )分别为S点第n时间步公共边界上的水头和流量,下标表示节点编号。
由此得出第n+1时间步公共边界上水头 H P ( n + 1 )和流量 Q P ( n + 1 )的关系。因此,耦合的关键问题是封闭c+方程,求解公共边界的水头和流量。
要得到P(n+1)点的水头和流量,只需在其右侧再建立一个未知数为 H P ( n + 1 )或 Q P ( n + 1 )的方程,与式(7)联立求解即可。
可用一段CFD网格来模拟特征线网格,在P(n+1)点右侧建立c-方程,即
H P ( n + 1 ) = H M ( n ) + B Q P ( n + 1 ) - Q M ( n ) 　 。
式中 H M ( n ) 、 Q M ( n )分别为M点第n时间步公共边界上的水头和流量。
将式(8)与c+方程联立求解即可,此时两计算区域的网格应按图5所示布置。在这种网格布置下,P点已不是特征线网格的下游边界,但仍然是CFD网格的上游边界,这就形如将特征线网格延伸入CFD网格内,与其部分重叠。延伸后的特征线网格边界M点落于CFD网格内部2-2断面上。部分重叠耦合示意图如图6所示。
图6 部分重叠耦合示意图

Fig.6 Coupling with partial overlapping

具体步骤如下:
(1)对CFD网格2-2断面进行积分,求出第n时间步2-2断面平均流量 Q 2 - 2 ( n )和平均水头 H 2 - 2 ( n )。
(2)更新 H M ( n )= H 2 - 2 ( n ), Q M ( n )= Q 2 - 2 ( n ),进行第n时间步特征线法计算,求出一维区域各流场变量。
(3)建立S与P(n+1)两点间的c+方程和M与P(n+1)两点间的c-方程,联立两方程求出P(n+1)点流量 Q P ( n + 1 )和水头 H P ( n + 1 )。
将 Q P ( n + 1 )和 H P ( n + 1 )作为第n+1时间步CFD网格1-1断面流量和水头,进行此时间步CFD计算,得出三维区域各流场变量。

2.1.2 计算工况

引江补汉工程进口位于三峡库区内,进口水位143.3~173.3 m;出口位于丹江口坝下安乐河口,出口水位86.5~89.5 m。输水系统启闭控制依靠中孔弧门。系统关闭时先10 min关闭底孔平面门,之后的50 min缓慢关闭中孔弧门;系统开启时先50 min缓慢开启中孔弧门,之后的10 min开启底孔平面门。
系统启闭过程中的水力过渡过程更关注水锤对洞壁产生的最大、最小压力以及消力池内最高、最低水位。系统关闭必须满足洞顶最大压力≤1.3倍最大工作压力、洞顶最小压力≥2 m的要求,系统开启要符合门后应避免出现淹没出流、有压进水口最小淹没深度的规定。由于石花控制闸将隧洞分为闸前高压洞段和闸后低压洞段,因此,研究重点分为闸前洞段最大、最小压力,闸后洞段最大、最小压力以及消力池最高、最低水位。结合工程水位边界条件,拟定3种工况:
(1)工况1。进口水位173.3 m,出口水位86.5 m,拟通过最大水头差关门研究闸前洞段最大压力、闸后洞段最小压力、消力池最低水位。
(2)工况2。进口水位143.3 m,出口水位86.5 m,拟通过进口低水位开门研究闸前洞段最小压力。
(3)工况3。进口水位173.3 m,出口水位89.5 m,拟通过出口高水位开门研究闸后洞段最大压力、消力池最高水位。
控制闸正常启闭的工况如表3所示。
表3 过渡过程计算工况

Table 3 Working condition of transient process

工况
编号		 闸阀操作 进口水
位/m		 出口水
位/m		 备注
1 先10 min关底孔平板门,之后的50 min关中孔弧门 173.3 86.5 最大水头差正常关闭
2 先50 min开中孔弧门,之后的10 min开底孔平板门 143.3 86.5 进口低水位正常开启
3 先50 min开中孔弧门,之后的10 min开底孔平板门 173.3 89.5 出口高水位正常开启

2.1.3 计算结果

2.1.3.1 工况1

最大水头差正常关闭工况,初始为系统完全开启的稳态运行状态,最终为系统完全关闭且水位平稳状态,总关闭时间60 min,0~10 min时段关闭底孔平板闸门,10~60 min时段关闭中孔弧形闸门,总模拟时长130 min。
系统沿线的水头分布如图7所示。闸前最高水位196.35 m,最大压强121.35 mH2O(1 mH2O表示压强为0.01 MPa),位于桩号K163+670处;闸后最低水位80.21 m,位于桩号K163+670处,最小压强2.45 mH2O,位于桩号K194+120处。水锤引起的最大压强121.35 mH2O小于正常运行最大水头对应压强的1.3倍(127.79 mH2O);引起的最小压强超过2 mH2O,满足《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)的要求。
图7 工况1系统沿线水头分布

Fig.7 Water head distribution along the system under working condition 1

控制闸内调压井和消力池的流速变化过程如图8所示。随着系统关闭,调压井内水位逐步上升,堰面流速迅速增大,消力池内水位逐步下降,池内流速有所增加。系统完全关闭后,调压井和消力池内流速均较低,受水击波的影响,调压井内水位下降,消力池内水位回升,如此往复直至稳定。控制闸进出口断面的水头和流量变化过程如图9所示。
图8 工况1闸室内流速分布变化过程

Fig.8 Change of flow velocity in the lock chamber under working condition 1

图9 工况1闸室进出口断面水头和流量变化过程

注:纯1D表示仅使用了一维模型;1D3D表示使用了一维模型和三维模型,下同。

Fig.9 Changes of water head and flow rate at the entrance and exit sections of lock chamber under working condition 1

随着系统关闭,闸室进口水头先升后降,出口水头先降后升,80 min后,二者均在静水头附近波动;闸室进、出口流量均先减小后反向增加,其中进口断面往复流量约10 m3/s,出口断面往复流量约20 m3/s。水头波动幅值与往复流量大小随水击波能量的衰减而逐步减少。

2.1.3.2 工况2

进口低水位正常开启工况,初始为系统完全关闭且水体静止状态,最终为系统完全开启的稳态运行状态,总开启时间60 min,0~50 min时段开启中孔弧形闸门,50~60 min时段开启底孔平板闸门,总模拟时长125 min。
系统沿线的水头极值分布如图10所示。闸前最小压强2.07 mH2O,位于桩号K132+880处。水锤引起的最小压强超过2 mH2O,满足《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)的要求。
图10 工况2系统沿程水头分布

Fig.10 Water head distribution along the system under working condition 2

控制闸内调压井和消力池的流速变化过程如图11所示。随着系统中孔开启,调压井内水位逐步下降,消力池内水位逐渐上升,堰面流速由大逐步减小;约60 min时,系统底孔开启,中孔不再过流,系统通过底孔输水,孔内流速较低。
图11 工况2闸室内流速分布变化过程

Fig.11 Change of flow velocity in the lock chamber under working condition 2

控制闸进出口断面的水头和流量变化过程如图12所示。随着系统开启,闸室进口断面水头持续下降,出口断面水头整体上升,100 min后,进口断面水头稳定在96 m,出口断面水头略低;闸室进、出口流量均持续增加,100 min后,输水流量稳定在210 m3/s。50~60 min时受底孔平面门开启影响,水头和流量有一定的波动,波动的幅值较小和持续时间较短。
图12 工况2闸室进出口断面水头和流量变化过程

Fig.12 Changes of water head and flow rate at the entrance and exit sections of lock chamber under working condition 2

2.1.3.3 工况3

工况3初始为系统完全关闭且水体静止状态,最终为系统完全开启的稳态运行状态,总开启时间60 min,0~50 min时段开启中孔弧形闸门,50~60 min时段开启底孔平板闸门,总模拟时长100 min。
系统沿线的水头分布如图13所示。闸后最高水位104 m,小于消力池顶高程(110 m),最大压强29.45 mH2O,位于桩号K164+270处,小于正常运行最大水头对应压强的1.3倍(36.4 mH2O),满足《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)的要求。
图13 工况3系统沿程水头分布

Fig.13 Water head distribution along the system under working condition 3

控制闸内调压井和消力池的流速变化过程如图14所示。随着系统中孔开启,调压井内水位逐步下降,消力池内水位逐步上升,约60 min时,堰面流速由大逐步减小;约60 min时,系统底孔开启,中孔不再过流,系统通过底孔输水,孔内流速较低。
图14 工况3闸室内流速分布变化过程

Fig.14 Change of flow velocity in the lock chamber under working condition 3

控制闸进出口断面的水头和流量变化过程如图15所示。
图15 工况3闸室进出口水头和流量变化过程

Fig.15 Changes of water head and flow rate at the entrance and exit sections of lock chamber under working condition 3

随着系统开启,闸室进口断面水头持续下降,出口断面水头整体上升,80 min后,进口断面水头稳定在104 m,出口断面水头略低;闸室进、出口流量均持续增加,80 min后,输水流量稳定在260 m3/s。50~60 min时段受底孔平面门开启影响,水头和流量有一定的波动,波动的幅值较小和持续时间较短。

2.1.4 小结

各工况关键参数计算成果如表4所示。总体上说,石花控制闸的布置方案是合理的,过渡过程各参数满足设计要求。当启闭时间为60 min时,闸前溢流闸最高水位为196.35 m,闸后消力池最高和最低水位分别为104.00 m和80.21 m,最高水位低于消力池顶高程(110 m),最低水位高于下游洞顶高程(75 m)。闸前洞段顶最大和最小压强分别为121.35 mH2O(桩号K163+670)和2.07 mH2O(桩号K132+88),闸后洞段顶最大和最小压强分别为29.45 mH2O(桩号K164+270)和2.45 mH2O(桩号K194+120),整个系统沿线洞顶最大压强均不超过1.3倍最大工作压强,洞顶最小压强均超过2 mH2O。关闭工况下,水位稳定所需时间很长,>200 min;开启工况下,水位可在80~100 min内稳定。
表4 各工况关键参数计算成果

Table 4 Calculation results of key parameters under various working conditions

工况 闸前 闸后 水位波动稳定
时间/min
最高水
位/m		 最大压强/
(mH2O)		 最小压强/
(mH2O)		 最高水位/
m		 最低水位/
m		 最大压强/
(mH2O)		 最小压强/
(mH2O)
最大水头差正常
关闭工况(工况1)		 196.35 121.35 — — 80.21 — 2.45 >200
进口低水位正常
开启工况(工况2)		 — — 2.07 — — — — 约100
出口高水位正常
开启工况(工况3)		 — — — 104.00 — 9.45 — 约80

注:闸前最大压强、最小压强对应的桩号分别为K163+670、K132+880;闸后最大压强、最小压强对应的桩号分别为K164+270、K194+120。

在消力池流态方面,关门工况因为中孔闸后下泄水流与消力池水面落差较大,且在跌落进消力池内时流速很大,会因为冲击将气体带入消力池水体内部,并由于流态紊乱气体难以排除并积累,从而导致下游隧洞进气。

2.2 物理模型试验研究

为进一步研究石花控制闸体型、消力池内流态,在长江科学院水工模型试验大厅开展了水工模型试验,试验范围包括石花控制闸及上、下游约100 m,试验按照重力相似准则设计比尺为1∶25的正态模型。根据数值计算结果与弧门启闭顺序,设计了6个典型时刻工况进行试验,工况详见表5。
表5 闸控方案物理模型试验工况

Table 5 Physical model test conditions

工况 闸门运
行条件		 计算调压
室水位/
m		 消力池
水位/
m		 过流量/
(m3·s-1)		 中孔开
度/m		 底孔开
度/m
A 关闭
过程		 108.42 98.49 239.89 8 0
B 113.16 96.81 227.15 4 0
C 148.89 87.21 121.27 1 0
D 开启
过程		 109.78 104.17 250.60 6 0
E 104.22 93.90 205.85 9 1
F 103.79 103.75 265.00 9 10

2.2.1 消力池内水流流态

各工况消力池流态特征详见表6和图16。水流以孔流或堰流出中孔后经溢流面入射下游消力池,形成较为典型的斜向淹没射流流态,在射流水体的上、下游形成旋滚,旋滚区水面紊动较为强烈;入射处水流吸卷的空气以气泡形式随流前行、下潜扩散、上溢水面。消力池水面较高时,气泡不能运移至下游有压管前,消力池水位较低时(闸门关闭过程),少量气泡可运移至有压管前,但未见其随流进入洞内。下游有压管前端水面有一定幅度的波动,稳压室水位较高时,水面偶有游离性浅表漩涡,水位较低时,水面偶见不吸气漏斗漩涡。
表6 各工况消力池流态特征

Table 6 Flow patterns in stilling pool under various working conditions

工况 射流水体 稳流池末端水面
最大潜
距/m		 最大潜
深/m		 气泡溢
止点/m		 波动幅
度/m		 波动周
期/s		 漩涡状况
A 80.0 间歇性触底 110 1.88 1.2 浅表漩涡
B 70.0 触底 110 2.00 1.2 偶见浅表
漩涡
C 58.5 间歇性触底 110~149 1.60 0.7 间歇性
吸气漩涡
D 80.0 距底部5 m 98 3.00 1.1 未见漩涡
E 70.0 间歇性触底 90~95 1.10 1.0 未见漩涡
F 60.0 间歇性触底 100~118 1.00 1.3 偶见浅表
漩涡

注:①最大潜距指携气射流水体行进的最远水平距离;②最大潜深指携气射流水体最大的下潜深度;③气泡溢止点指最远气泡上溢点。

图16 各工况水流入射消力池池内流态

Fig.16 Flow patterns in the stilling pool with jets under various working conditions

2.2.2 时均压力

为监测流道各部位时均压力状况,在中孔堰面,消力池底板,下游有压管进口顶部等部位共布置58个时均压力测点。测量结果显示工况C中孔堰面时均压力为44.74×9.81~-0.27×9.81 kPa,负压仅出现在末端;消力池底板时均压力为21.15×9.81~21.80×9.81 kPa,压力分布均匀,未出现压力峰值;下游有压管进口顶部时均压力为5.28×9.81~12.90×9.81 kPa,压力分布正常。其余工况各个测点结果均正常,未检测到负压。各工况时均压力测量结果表明中孔体型、消力池尺寸、下游隧洞进口体型等均较为合理。

2.2.3 中孔堰面水流空化数

中孔堰面测量结果显示工况C堰面流速为22.97~26.95 m/s,空化数为0.42~0.28,空化数<0.3的测量集中在堰面中后部。其余工况流速均<20 m/s,空化数均>0.72。各工况空化数计算结果表明堰面曲线参数基本合理,堰面需采用必要的工程措施。

2.2.4 小结

总体而言,中孔、底孔高程及孔口尺寸合适,堰面曲线参数合理,消力池几何尺寸合适。
消力池内为典型的斜向淹没射流流态,射流水体的上下游形成旋滚,旋滚区水面紊动较为强烈;入射处水流吸卷的空气以气泡形式随流前行、下潜扩散、上溢,但均未见起泡随水流进入下游隧洞。
中孔、底孔流道及下游有压管进口段各部位时均压力变化平缓、分布正常;消力池底板未受中孔下泄水流冲击,中心线上的压力分布基本符合静压分布规律。
中孔堰面沿程时均压力总体呈减小趋势,1 m以上开度时,堰面流速<30 m/s,水流空化数>0.3,发生空化的可能性较小;1 m以下开度时,堰面流速>30 m/s,水流空化数<0.3,水流发生空化可能性较大。考虑到弧门1.0 m开度以下运行的时间仅为15 min,堰面采用抗冲蚀耐磨混凝土,并严格控制施工平整度,可降低空化的可能性。

3 结论

石花控制闸作为引江补汉工程重要的控制枢纽,因为其控制的高水头、超长距离的有压隧洞具有复杂的水力过渡过程,为设计工作带来了一定的挑战和困难。对石花控制闸进行双层品字型布置,抓住了前后有压隧洞系统水力控制的关键问题。
(1)借助一维、三维耦合的数值计算方法,研究石花控制闸启闭过程对系统的影响,计算结果表明石花控制闸布置方案合理,按设计启闭时系统过渡过程各参数满足规范要求。
(2)借助物理模型试验,研究石花控制闸过流面体型,试验结果表明石花控制闸中孔、底孔高程及孔口尺寸合适,堰面曲线参数合理,消力池几何尺寸合适。
(3)计算和试验成果表明石花控制闸闸控方案布置合理,水力条件稳定,可以实现对引江补汉输水系统的控制,研究结果及思路也为未来国家水网建设中有压隧洞的水力控制方式提供参考。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
陈维江, 石海峰, 李春阳, 等. 引江补汉工程段中分层减压控制闸布置与体型研究[J]. 南水北调与水利科技(中英文), 2023, 21(6):1126-1133.

(CHEN Wei-jiang, SHI Hai-feng, LI Chun-yang, et al. Layout and Shape of Layered Pressure Reducing Control Gate in the Middle Segment of the Yangtze-to-Hanjiang River Water Diversion Project[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2023, 21(6):1126-1133. (in Chinese))

[2]
钮新强, 万蕙, 刘琪. 引江补汉工程关键技术挑战[J]. 中国水利, 2022(18):15-17,11.

(NIU Xin-qiang, WAN Hui, LIU Qi. Key Technical Challenges of the Project of Diverting Water from the Yangtze River to Fill the Han River[J]. China Water Resources, 2022(18):15- 17,11. (in Chinese))

[3]
武松, 韩健, 袁葳, 等. 引江补汉工程超长深埋有压输水隧洞设计[J]. 中国水利, 2022(18): 48-50, 35.

(WU Song, HAN Jian, YUAN Wei, et al. Design of Ultra-long Burial Depth Pressure Water Tunnel of the River Diversion Project from the Yangtze River to the Han River[J]. China Water Resources, 2022(18):48- 50, 35. (in Chinese))

[4]
王磊, 蔺秋生, 赵健. 引江补汉工程总体布局论证概述[J]. 中国水利, 2022(18): 36-39.

(WANG Lei, LIN Qiu-sheng, ZHAO Jian. Brief Introductions on Overall Layout of the River Diversion Project from the Yangtze River to the Han River[J]. China Water Resources, 2022(18): 36-39. (in Chinese))

[5]
王吉亮, 向家菠, 颜慧明, 等. 引江补汉工程输水线路工程地质选线研究[J]. 长江科学院院报, 2023, 40(5): 100-105.

DOI

(WANG Ji-liang, XIANG Jia-bo, YAN Hui-ming, et al. Route Selection for Water Diversion Project from Three Gorges Reservoir to Hanjiang River Based on Engineering Geology[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2023, 40(5): 100-105. (in Chinese))

DOI

[6]
杨开林. 长距离输水水力控制的研究进展与前沿科学问题[J]. 水利学报, 2016, 47(3):424-435.

(YANG Kai-lin. Review and Frontier Scientific Issues of Hydraulic Control for Long Distance Water Diversion[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(3):424-435. (in Chinese))

[7]
李江云, 周飞. 长距离输水系统水锤影响因素及防护措施探究[J]. 给水排水, 2023, 49(8):106-112.

(LI Jiang-yun, ZHOU Fei. Exploration on Influencing Factors of Water Hammer and Protective Measures in Long Distance Water Supply System[J]. Water & Wastewater Engineering, 2023, 49(8):106-112. (in Chinese))

[8]
张雷, 李明, 佟继有, 等. 长距离重力流输水管线水锤计算及防护研究[J]. 水资源与水工程学报, 2023, 34(1): 121-126.

(ZHANG Lei, LI Ming, TONG Ji-you, et al. Calculation and Prevention of Water Hammer for Long Distance Gravity Flow Water Conveyance Pipelines[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2023, 34(1): 121-126. (in Chinese))

[9]
谢杰, 黄伟, 李火坤, 等. 长距离重力流输水系统的联合阀组水力控制研究[J]. 给水排水, 2023, 49(4):104-112.

(XIE Jie, HUANG Wei, LI Huo-kun, et al. Study on Hydraulic Control of Combined Valve Group in Long-distance Gravity Flow Water Delivery System[J]. Water & Wastewater Engineering, 2023, 49(4):104-112. (in Chinese))

[10]
马志敏, 乔俊蕾, 付永飞. 长距离加压和有压重力输水管道水锤防护分析比较[J]. 水力发电, 2022, 48(7):52-57.

(MA Zhi-min, QIAO Jun-lei, FU Yong-fei. Comparison of Water Hammer Protections in Long-distance Pressurized and Pressure Gravity Water Pipelines[J]. Water Power, 2022, 48(7):52-57. (in Chinese))

[11]
王政平, 贾东远, 马追. 长距离重力流输水工程关阀方案优化研究[J]. 人民黄河, 2021, 43(4): 142-146.

(WANG Zheng-ping, JIA Dong-yuan, MA Zhui. Optimizationof Valve Closing Scheme for Long? Distance Gravity Flow Water Delivery Project[J]. Yellow River, 2021, 43(4): 142-146. (in Chinese))

[12]
董航凯, 田睿, 王启国. 长距离输水管道水力过渡过程计算[J]. 水利建设与管理, 2022, 42(8): 32-38.

(DONG Hang-kai, TIAN Rui, WANG Qi-guo. Calculation of Hydraulic Transition Process of Long-distance Water Pipeline[J]. Water Conservancy Construction and Management, 2022, 42(8): 32-38. (in Chinese))

[13]
周天驰, 李高会, 仇为鑫, 等. 复杂重力流供水系统水力过渡过程分析与水锤防护设计[J]. 中国农村水利水电, 2021(12): 216-221.

(ZHOU Tian-chi, LI Gao-hui, QIU Wei-xin, et al. Hydraulic Transient Analysis and Water Hammer Protection Design of Complex Gravity Flow Water Supply System[J]. China Rural Water and Hydropower, 2021(12): 216-221. (in Chinese))

[14]
刘振英, 毛元静. 基于三维数值模拟分析输水工程取水头部水流特性[J]. 水利科技与经济, 2021, 27(3):18-22.

(LIU Zhen-ying, MAO Yuan-jing. Analysis on Flow Characteristics of Intake Head of Water Conveyance Project Based on 3D Numerical Simulation[J]. Water Conservancy Science and Technology and Economy, 2021, 27(3):18-22. (in Chinese))

[15]
严继松, 廖国玲. 有压管道充水过程水力特性三维数值模拟[J]. 水利水电技术, 2015, 46(3): 110-114.

(YAN Ji-song, LIAO Guo-ling. 3-D Numerical Simulation on Hydraulic Characteristics of Water Filling Process of Pressure Pipeline[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2015, 46(3): 110-114. (in Chinese))

Options
文章导航

/

〈 〉

*严禁使用本系统存储、处理、传输涉密信息*
版权所有 © 《长江科学院院报》编辑部
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司