李 輝

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

?

基于原型觀測(cè)試驗(yàn)的引水隧洞糙率反推計(jì)算及過(guò)水能力復(fù)核方法探討

李 輝

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

本文基于原型觀測(cè)試驗(yàn)的方式并結(jié)合一維非恒流方程對(duì)遼寧中部某引水隧洞糙率進(jìn)行反推計(jì)算，并結(jié)合糙率反推結(jié)果對(duì)引水隧洞過(guò)水能力進(jìn)行復(fù)核方法進(jìn)行了探討。計(jì)算結(jié)果表明：原型觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)合一維非恒流方程的算法可實(shí)現(xiàn)引水隧洞糙率的反推計(jì)算，計(jì)算糙率結(jié)果較為合理，小于工程設(shè)計(jì)糙率值；經(jīng)過(guò)水能力復(fù)核計(jì)算，引水隧洞現(xiàn)狀過(guò)水能力可滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。研究成果對(duì)于引水隧洞糙率反推和過(guò)水能力復(fù)核提供方法參考。

原型觀測(cè)方法；引水隧洞糙率反推；非恒定流方程；過(guò)水能力復(fù)核

引水隧洞是城市供水的重要工程措施，當(dāng)前，城市水引水資源供需日益緊張，急需對(duì)引水隧洞的過(guò)水能力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，若引水隧洞的過(guò)水能力已經(jīng)達(dá)到城市供水需求，則不需要再建引水設(shè)施，減少工程投資。而復(fù)核后的引水隧洞過(guò)水能力已經(jīng)不能達(dá)到城市供水需求，則需要再建或者擴(kuò)建引水設(shè)施，從而達(dá)到城市供水的要求，因此對(duì)引水隧洞過(guò)水能力復(fù)核計(jì)算十分重要。對(duì)于引水隧洞過(guò)水能力的復(fù)核關(guān)鍵在于糙率的推求，對(duì)于引水隧洞糙率反推國(guó)內(nèi)許多學(xué)者展開相關(guān)研究，并取得一定研究成果[1-6]。在這些成果中較為成功為采用原型觀測(cè)試驗(yàn)的方法，結(jié)合實(shí)測(cè)水位流量數(shù)據(jù)，應(yīng)用曼寧公式(均勻恒定流)反推隧洞糙率，但是引水隧洞由于來(lái)水受閘門啟閉影響，呈現(xiàn)非恒定流流態(tài)，采用恒定流反推糙率存在計(jì)算誤差，為此本文引入一維非恒定流方程[7-8]，以遼寧中部某引水隧洞為工程實(shí)例，基于原型觀測(cè)試驗(yàn)方式對(duì)隧洞糙率進(jìn)行反推，結(jié)合反推糙率對(duì)隧洞過(guò)水能力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

1 引水隧洞糙率反推及過(guò)水能力復(fù)核計(jì)算方法

引水隧洞水流受閘門啟閉影響，水流呈現(xiàn)非恒定流流態(tài)，傳統(tǒng)糙率反推方法采用基于恒定流方程的曼寧公式計(jì)算，存在計(jì)算缺陷，為此本文選用一維非恒定流方程來(lái)進(jìn)行引水隧洞糙率的反推計(jì)算，通過(guò)試算不同水深下的糙率，模擬不同時(shí)刻斷面的水位、流量，直到模擬的水位、流量與實(shí)測(cè)水位、流量較吻合(原型觀測(cè)試驗(yàn)測(cè)定)，將試算最優(yōu)結(jié)果的綜合糙率作為隧洞反推的糙率。結(jié)合反推的糙率，結(jié)合不同來(lái)水量，計(jì)算斷面過(guò)水能力，對(duì)引水隧洞過(guò)水能力進(jìn)行復(fù)核。其中糙率作為參數(shù)進(jìn)行輸入，一維非恒定流得水位和流量計(jì)算方程為：

(1)

在方程(1)中Q表示斷面流量，單位m3/s；Z表示斷面水位，單位m；u表示為斷面平均流速，單位m/s；A表示斷面橫斷面面積，單位m2；x表示沿水流縱向的水平距離，單位m；t表示為計(jì)算時(shí)間，單位h；g表示為重力加速度，單位為m/s2；a表示為流速不均勻分布系數(shù)，無(wú)量綱；Sf表示為水力學(xué)坡降；B表示為斷面寬度，單位m。

結(jié)合Preissman四點(diǎn)加權(quán)差分格式對(duì)方程(1)進(jìn)行求解計(jì)算，在方程組中變量的導(dǎo)數(shù)差分格式見(jiàn)方程(2)：

(2)

在方程(2)中θ表示方程加權(quán)系數(shù)， f表示為推求斷面水位值和流量值，單位分別為m和m3/s，其他變量含義同方程(1)。

2 工程實(shí)例分析

2.1 引水隧洞原型觀測(cè)試驗(yàn)斷面設(shè)置

研究的引水隧洞總的長(zhǎng)度為3 000 m，隧洞過(guò)水能力要求為5 m3/s，才能滿足城市現(xiàn)狀供水需求。在原型觀測(cè)試驗(yàn)中，設(shè)置5個(gè)斷面，各試驗(yàn)斷面間距為250 m，其中I、II 、II、VI、V斷面均進(jìn)行水位測(cè)定，II、III為流量測(cè)定斷面，進(jìn)行流量測(cè)定，各試驗(yàn)斷面布設(shè)圖見(jiàn)圖1。

2.2 斷面水位流量測(cè)定方法

2.2.1 流量測(cè)定

II、III斷面安裝流量計(jì)。結(jié)合隧洞形狀，流量計(jì)安裝在隧洞底板中部，蓄電池安裝在隧洞頂部，中間連接電纜，電纜外部加護(hù)管保護(hù)。為防止隧洞內(nèi)淤積對(duì)流量計(jì)的影響，流量計(jì)安裝高度距地面8 cm，下部為U型不銹鋼板。為防止漂浮物影響，U型不銹鋼板采用加長(zhǎng)處理，迎水側(cè)進(jìn)行封閉處理。

圖1 原型觀測(cè)試驗(yàn)斷面布設(shè)圖

2.2.2 水位測(cè)定

I、VI、V斷面安裝雷達(dá)水位計(jì)，考慮橫比降的影響，水位計(jì)及蓄電池全部采用懸掛式，安裝在隧洞頂部中間位置。水位計(jì)儀器箱底部距隧洞底板2.5 m，能夠滿足施測(cè)最大水深2.13 m的要求。

2.2.3 儀器參數(shù)設(shè)置

對(duì)水位計(jì)、流量計(jì)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。測(cè)量歷時(shí)均為60 s，測(cè)量間隔5 min，每小時(shí)測(cè)量12次。各臺(tái)儀器統(tǒng)一授時(shí)，以保證測(cè)驗(yàn)時(shí)間的同步性。

2.3 試驗(yàn)斷面測(cè)量計(jì)算

試驗(yàn)斷面測(cè)量是糙率反推的基礎(chǔ)，對(duì)布設(shè)的5個(gè)試驗(yàn)橫斷面進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)隧洞沿程縱斷面進(jìn)行了測(cè)量，斷面測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 隧洞測(cè)量成果示意圖

2.4 原型觀測(cè)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

結(jié)合10組放水試驗(yàn)，進(jìn)行原型觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)斷面的水位和流量進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，各斷面水位流量試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 原型觀測(cè)試驗(yàn)斷面水位測(cè)定結(jié)果

表2 原型觀測(cè)試驗(yàn)斷面流量測(cè)定結(jié)果

2.5 基于一維非恒定流模型糙率反推結(jié)果

將I斷面和V斷面水位作為模型上、下水位邊界，通過(guò)糙率試算，推求III斷面的流量，結(jié)合實(shí)測(cè)III斷面數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)推求的流量和實(shí)測(cè)流量較為接近，當(dāng)前模型糙率值即為糙率反推值。引水隧洞糙率反推結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3中可以看出，經(jīng)過(guò)糙率試算后，計(jì)算的流量和水深和原型觀測(cè)試驗(yàn)斷面流量和水深擬合度均較高，從表中可以看出，反推計(jì)算的糙率在0.013 6～0.019 4，在低水時(shí)，其糙率較低。在高水時(shí)，其糙率較。從和設(shè)計(jì)糙率對(duì)比結(jié)果可以看出，在不同水深下，反推的糙率均低于設(shè)計(jì)糙率值，這主要是在引水隧洞工程設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到引水隧洞工程安全性，增大了不同水深下的設(shè)計(jì)糙率值。

表3 基于一維非恒定流模型模擬成果

2.6 糙率合理性驗(yàn)證

為驗(yàn)證反推糙率的合理性，結(jié)合放水試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)選取III斷面10個(gè)洪峰時(shí)刻流量，結(jié)合糙率反推結(jié)果，計(jì)算III斷面不同水位下的流量值，對(duì)比試驗(yàn)測(cè)定的流量值，分析計(jì)算糙率反推結(jié)果的合理性，分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4和圖3。

表4 糙率驗(yàn)證結(jié)果

圖3 反推糙率驗(yàn)證結(jié)果

從表4中可以看出，采用反推計(jì)算的糙率計(jì)算的流量和實(shí)測(cè)流量之間的誤差較小，計(jì)算誤差在0.9%～-5.8%之間，符合水利工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求。表明反推計(jì)算的引水隧洞糙率值較為合理。圖3為基于反推糙率計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量的對(duì)比結(jié)果，從圖中可以看出計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量過(guò)程較為吻合，相關(guān)性較高。綜上表明結(jié)合原型觀測(cè)試驗(yàn)的一維非恒定流的糙率反推計(jì)算方法在引水隧洞糙率反推計(jì)算中具有較好的適用性。

2.7 隧洞過(guò)流能力復(fù)核方法探討

傳統(tǒng)隧洞過(guò)水能力復(fù)核計(jì)算，結(jié)合隧洞出口斷面流量測(cè)定數(shù)據(jù)，對(duì)過(guò)水能力復(fù)核計(jì)算，但是引水隧洞沿程水流由于糙率影響，均有損損失，因此傳統(tǒng)方法推算的隧洞過(guò)水能力可能小于隧洞實(shí)際的過(guò)水能力，本文推薦采用隧洞糙率反推結(jié)果，通過(guò)設(shè)定隧洞最大水深，利用非恒定流方程推算隧洞最大的過(guò)水能力，使得隧洞過(guò)水能力計(jì)算更加合理化。以本文引水隧洞工程為例，在糙率反推結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)引水隧洞的過(guò)水能力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，結(jié)合一維非恒定流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推算，當(dāng)隧洞水深H=1.65 m時(shí)，可通過(guò)5.25 m3/s，引水隧洞徑高為0.51 m，隧洞的凈空為21.48%均可滿足水利工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求，隧洞內(nèi)的流速為1.213 m3/s，滿足其設(shè)計(jì)過(guò)水隧洞過(guò)水能力要求(要求過(guò)水能力在5 m3/s)。

3 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合原型觀測(cè)試驗(yàn)的方式并應(yīng)用一維非恒定流數(shù)學(xué)模型對(duì)引水隧洞的糙率進(jìn)行反推，結(jié)合糙率反推結(jié)果對(duì)引水隧洞的過(guò)水能力進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，研究取得的結(jié)論為：

(1)原型觀測(cè)試驗(yàn)的方式可對(duì)引水隧洞的糙率進(jìn)行反推，反推計(jì)算的糙率結(jié)果合理性較高；

(2)結(jié)合糙率反推結(jié)果可對(duì)隧洞過(guò)水能力進(jìn)行復(fù)核，可從試驗(yàn)角度對(duì)引水隧洞的過(guò)水能力進(jìn)行論證，為城市引水措施改建和擴(kuò)建可行性論證提供論證依據(jù)。

[1]齊英. 不同糙率推求方法在引水隧洞中的對(duì)比分析[J].水利技術(shù)監(jiān)督.2016,(02):38-40.

[2]吳疆,潘益斌. 淺談錦屏二級(jí)引水隧洞沿程糙率系數(shù)的反算方法[J].大壩與安全.2014,(01):6-8.

[3]胡冰,王麗學(xué). 引蘭入湯引水隧洞糙率原型觀測(cè)及隧洞過(guò)流能力復(fù)核研究[J].中國(guó)水能及電氣化.2006,(03):49-50+59.

[4]張良然,陳合愛(ài),康仲律,等. 仰山三級(jí)電站引水隧洞糙率原型觀測(cè)[J]. 江西水利科技.1993,(01):50-55.

[5]李協(xié)生.引水隧洞中漸變段水頭損失計(jì)算問(wèn)題的探討[J].四川水力發(fā)電.1991,(01):55-61.

[6]李協(xié)生.不襯砌引水隧洞糙率選值問(wèn)題的探討[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào).1990,(02):61-71.

[7]伍寧. 一維圣維南方程組在非恒定流計(jì)算中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江.2001,(11):16-18+56.

[8]黃碧珊. 水電站下游河道中非恒定流的一維數(shù)學(xué)模型[J].水運(yùn)工程.1990,(10):7-10.

2017-03-13

李輝(1987-)，男，安徽阜陽(yáng)人，助理工程師，主要從事水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作。

TV672+.1

B

1004-1184(2017)03-0142-03