于新艷

(中工武大設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 新疆分公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

輸水工程沿線管道安全穩(wěn)定關(guān)乎著上下游集水源與灌渠用水安全性[1-2]，對(duì)管線上分布的水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化分析[3-4]，提升輸水管道整體設(shè)計(jì)水平。何相慧等[5]、劉瑤[6]、牛權(quán)等[7]針對(duì)輸水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要停留在水力特征研究，通過(guò)探討管線內(nèi)流速、水位等特征參數(shù)的變化，分析不同工況下不同設(shè)計(jì)方案間輸水管線設(shè)計(jì)利弊性，為輸水工程運(yùn)營(yíng)、設(shè)計(jì)提供依據(jù)。以上相關(guān)研究成果主要集中在水工模型試驗(yàn)中，而仿真計(jì)算手段同樣應(yīng)用較廣泛，利用Fluent等滲流計(jì)算平臺(tái)可較高效研究不同輸水管線中滲流場(chǎng)活動(dòng)，為評(píng)價(jià)管線內(nèi)水力特征狀態(tài)提供計(jì)算佐證[8-10]。輸水管線上的水工結(jié)構(gòu)不僅需要考慮水力特征，同樣需要考慮其靜力特性[11-12]，應(yīng)綜合分析水工建筑設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力特性及水力特征影響，系統(tǒng)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)參數(shù)帶來(lái)的利弊性，為設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供參考。本文根據(jù)引額供水工程中調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)在上下游輸水管線中重要調(diào)控作用，設(shè)計(jì)開(kāi)展調(diào)壓塔進(jìn)出水口截面尺寸參數(shù)的優(yōu)化分析，從結(jié)構(gòu)靜力特性與水力特征入手，探討結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2 工程建模分析

2.1 工程概況

額爾齊斯河是新疆北部地區(qū)重要的水源地，流域集水面積20 000 km2，干流沿線有多個(gè)水文監(jiān)測(cè)站，河床坡降比為1.1‰，具備豐富的水資源，可作為引水工程重要取水源頭。引額供水工程是解決新疆北部城鄉(xiāng)用水的關(guān)鍵性工程，主要水工建筑包括有泵站、取水口建筑、調(diào)壓塔及輸水管道等。該引水工程以五家渠市黃家梁水庫(kù)為中轉(zhuǎn)樞紐，分梯段配置調(diào)節(jié)水庫(kù)，共有3個(gè)區(qū)段，其中第一區(qū)段全長(zhǎng)為600 km，全渠道采用DN3000鋼套管，確保輸水安全性。為確保引水流量與輸水徑流相匹配，設(shè)置有提水泵站設(shè)施，全設(shè)施涵蓋有進(jìn)水池、廠房、出水管道及其他工程，五家渠市黃家梁水庫(kù)上游泵站是整個(gè)供水工程的重要中轉(zhuǎn)站點(diǎn)，經(jīng)泵站的加壓提升后，由輸水壓力管道直至下游輸水渠。從供水管線分布來(lái)看，共有南北兩管道，其中南線管道全長(zhǎng)為150 km，鋪設(shè)有PCCP管道，全管道渠底襯砌有塑性混凝土與土工膜作為防滲系統(tǒng)，有效降低輸水耗散。北線管道長(zhǎng)210 km，主管材為DN1600PCCP管、DNl600鋼管，設(shè)計(jì)最大流量為56 m3/s，管線底部噴射有防滲墻結(jié)構(gòu)，確保管線輸水穩(wěn)定性，管線內(nèi)包括有多個(gè)水閘控制樞紐，對(duì)渠道內(nèi)水流流態(tài)、滲流活動(dòng)進(jìn)行有效控制，降低輸水管道內(nèi)水力渦流、漩流等現(xiàn)象。在南北兩輸水管線工程建設(shè)中，均采用頂管工作井施工方法，其工作結(jié)構(gòu)平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 頂管工作井工作結(jié)構(gòu)平面圖

在輸水管線與下游用水調(diào)度樞紐間配備有調(diào)壓塔，該調(diào)壓塔是下游支線與主干線水流量控制的重要水工設(shè)施，設(shè)計(jì)調(diào)度水量達(dá)12.5×104m3/d，塔前管線最大流量為1.65 m3/s，地面高程為3.5 m，頂部高程為17.7 m，塔高與底板厚度分別為20、2 m，溢流管與上下游干線輸水管道相連，所采用的的標(biāo)準(zhǔn)管道見(jiàn)圖2。塔內(nèi)直徑為15 m，該結(jié)構(gòu)上下游分別設(shè)置有節(jié)制閥門，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與水力特征是主干線輸水管道穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的重要基礎(chǔ)[13-14]。為此，工程管理部門考慮對(duì)引額供水工程管線上調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，主要針對(duì)調(diào)壓塔進(jìn)出水口截面尺寸進(jìn)行研究，該截面尺寸狀態(tài)一方面影響調(diào)壓塔自身結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性，另一方面對(duì)輸水管道內(nèi)水力特征具有重要影響。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)管道

2.2 仿真建模

利用UG構(gòu)件平臺(tái)建立調(diào)壓塔上下游管線及結(jié)構(gòu)示意圖，并簡(jiǎn)化部分附屬水工建筑，見(jiàn)圖3。并基于Abaqus仿真平臺(tái)對(duì)該平面圖進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分[15-16]，圖4為經(jīng)Abaqus仿真計(jì)算后建立的全管線調(diào)壓塔有限元模型，并將上下游管線劃分出10個(gè)區(qū)段，方便對(duì)各區(qū)段水力特征進(jìn)行分析。調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)兩側(cè)均設(shè)定為法向變形自由度條件，塔頂部設(shè)定為水平向約束自由度條件。本文計(jì)算模型中X、Y、Z正向分別設(shè)定為輸水管線軸向向下游方向、輸水管線橫向調(diào)壓塔方向、結(jié)構(gòu)自重豎直向上方向。

圖3 UG構(gòu)建的調(diào)壓塔模型

圖4 調(diào)壓塔有限元模型

根據(jù)對(duì)引額供水工程全管線輸水狀態(tài)調(diào)研得知，管線設(shè)計(jì)最大流量并不超過(guò)2 m3/s，因而調(diào)壓塔進(jìn)出水口截面尺寸直徑最大不超過(guò)8 m，而本模型中塔底板厚度為2 m，故而調(diào)壓塔進(jìn)出水口截面尺寸應(yīng)介于2～8 m區(qū)間。為此，本文設(shè)定仿真計(jì)算模型對(duì)比試驗(yàn)組中尺寸參數(shù)分別為2.5 m(A方案)、3.5 m(B方案)、4.5 m(C方案)、5.5 m(D方案)、6.5 m(E方案)、7.5 m(F方案)共6個(gè)方案，其他設(shè)計(jì)參數(shù)均保持相同，僅改變進(jìn)出水口截面尺寸參數(shù)，研究結(jié)構(gòu)靜力特性與水力特征影響變化。

3 調(diào)壓塔設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力特性影響

3.1 應(yīng)力特征

為研究調(diào)壓塔進(jìn)出水口截面設(shè)計(jì)尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)靜力特性影響，本文以調(diào)壓塔頂、塔底及側(cè)壁作為特征部位，研究3部位上應(yīng)力與位移特征，見(jiàn)圖5。

圖5 特征部位最大拉應(yīng)力與截面尺寸參數(shù)關(guān)系

根據(jù)圖5中拉應(yīng)力變化可知，調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大位于塔頂，隨截面尺寸參數(shù)變化，其最大拉應(yīng)力分布為1.26～3.03 MPa，而塔底、塔側(cè)壁最大拉應(yīng)力相比前者在各設(shè)計(jì)方案中的差幅分別為23.6%～79.2%、8.6%～36.9%；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度考慮，應(yīng)重點(diǎn)增強(qiáng)塔頂剛度，減少塔頂薄弱抗拉面。拉應(yīng)力與截面尺寸參數(shù)R具有負(fù)相關(guān)變化特征，在進(jìn)出水口尺寸2.5 m時(shí)，塔底最大拉應(yīng)力為2.32 MPa，而截面尺寸為4.5、6.5、7.5 m時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)力參數(shù)較前者分別減少71.3%、87.5%、88.8%；從拉應(yīng)力受抑制效果來(lái)看，其降幅為減小的趨勢(shì)。在進(jìn)出水口截面尺寸為2.5～5.5 m區(qū)間時(shí)，塔底最大拉應(yīng)力隨截面尺寸參數(shù)的平均降幅為46.1%；當(dāng)截面尺寸參數(shù)超過(guò)5.5 m后，拉應(yīng)力降幅顯著較低，后區(qū)間內(nèi)的設(shè)計(jì)方案拉應(yīng)力最大降幅不超過(guò)20%，平均降幅為15%。同樣，在塔頂與塔側(cè)壁部位，其最大拉應(yīng)力隨進(jìn)出水口截面尺寸變化趨勢(shì)與塔底一致，均在截面尺寸5.5 m后，最大拉應(yīng)力降幅減??；塔頂與塔側(cè)壁部位在截面尺寸2.5～5.5 m區(qū)間內(nèi)的平均降幅分別為24.8%、32.7%，而在5.5～7.5 m區(qū)間內(nèi)，平均降幅分別為0.7%、2.5%。6個(gè)設(shè)計(jì)方案中，3部位最大拉應(yīng)力均低于1.5 MPa，出現(xiàn)在截面尺寸4.5 m方案，在該方案后，各部位拉應(yīng)力均遠(yuǎn)低于材料最大允許抗拉強(qiáng)度。分析表明，進(jìn)出水口截面尺寸參數(shù)愈大，有利于調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)抗壓特性。但不可忽視，尺寸參數(shù)過(guò)大，對(duì)拉應(yīng)力的抑制效應(yīng)不一定最佳，因此選擇最適宜截面尺寸，才有利于調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)抗拉特性。

同理，根據(jù)計(jì)算獲得調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)3特征部位最大壓應(yīng)力與截面尺寸參數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖6。

圖6 特征部位最大壓應(yīng)力與截面尺寸參數(shù)關(guān)系

由圖6中壓應(yīng)力特征可知，各部位最大壓應(yīng)力隨截面尺寸參數(shù)均為先增后減變化，轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)為截面尺寸參數(shù)5.5m方案，該方案下塔頂、塔底及側(cè)壁3部位壓應(yīng)力最大，分別為6.5、8.44、10.9 MPa。當(dāng)進(jìn)出水口截面尺寸參數(shù)為2.5～5.5 m區(qū)間時(shí)，結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)有利于調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)抗滑移、抗傾覆特性，在該區(qū)間內(nèi)，塔頂、塔底及側(cè)壁3部位最大壓應(yīng)力隨尺寸參數(shù)平均增長(zhǎng)32.8%、16.4%、9.2%。當(dāng)截面尺寸超過(guò)5.5 m后，在參數(shù)5.5～7.5 m區(qū)間內(nèi)，壓應(yīng)力呈減少變化，結(jié)構(gòu)整體預(yù)壓效果及抗滑移特性均降低[17]，最大壓應(yīng)力向著不利于結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性方面，3部位平均降幅分別為34.9%、23%、20.5%。綜合分析可知，本文認(rèn)為調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)靜力特性必須綜合考慮拉壓應(yīng)力表現(xiàn)特征，當(dāng)進(jìn)出水口截面尺寸為5.5 m時(shí)，結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)力表現(xiàn)均最優(yōu)，該方案最為適宜。

3.2 位移特征

根據(jù)調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)靜力特性計(jì)算，獲得截面尺寸參數(shù)影響下調(diào)壓塔各向最大位移變化特征，見(jiàn)圖7。從圖7中可知，調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)Z、X向最大位移隨截面尺寸參數(shù)為先減后增變化，以尺寸參數(shù)5.5 m方案下為此兩向位移最低，分別為5.36、3.38 mm。在截面尺寸參數(shù)2.5～5.5 m方案中，尺寸參數(shù)2.5 m下X向最大位移為8.82 mm，而尺寸3.5、5.5 m方案中X向位移較前者分別減少31.3%、61.7%，平均各方案間X向位移減少26.9%；同樣在Z向最大位移中亦是如此，該方向上最大位移在該區(qū)間內(nèi)平均降幅達(dá)24%。當(dāng)截面尺寸參數(shù)超過(guò)5.5 m后，拉應(yīng)力抑制效果減弱，此時(shí)結(jié)構(gòu)Z、X向位移增大，各設(shè)計(jì)方案間Z、X向位移平均增幅可達(dá)59.1%、44.7%。相比調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)X、Z向位移，Y向位移在各設(shè)計(jì)方案中基本處于較穩(wěn)定，僅有少許波動(dòng)，最大變幅不超過(guò)7%，各方案中Y向位移穩(wěn)定在2.7～3 mm，表明Y向位移受進(jìn)出水口截面尺寸參數(shù)影響較小。從3個(gè)方向位移特征表現(xiàn)可知，印證了截面尺寸為5.5m為最佳方案。

圖7 特征部位各向最大位移與截面尺寸參數(shù)關(guān)系

4 調(diào)壓塔設(shè)計(jì)對(duì)管道水力特性影響

調(diào)壓塔作為一種水利控制樞紐，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響輸水管線內(nèi)水力特征。本文以管線內(nèi)9個(gè)斷面的流速特征作為評(píng)價(jià)參數(shù)，圖8為不同設(shè)計(jì)方案下輸水管線各斷面上流速變化特征。

圖8 不同截面尺寸參數(shù)下各斷面流速特征

從圖8中可知，調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)進(jìn)出水口截面尺寸愈大，各斷面上流速整體增大，在截面尺寸2.5 m方案中，其各斷面上平均流速為0.136 m/s，而截面尺寸4.5、6.5、7.5 m方案中斷面平均流速較前者分別增長(zhǎng)77.2%、1.6倍、2倍；從整體設(shè)計(jì)方案流速特征對(duì)比可知，當(dāng)進(jìn)出水口截面尺寸增長(zhǎng)1 m，管線內(nèi)斷面平均流速可增長(zhǎng)24.8%，表明截面尺寸愈大，則管線內(nèi)阻流、摩擦效應(yīng)愈小，流體愈暢通，故流速愈大。從各方案中流速在斷面上表現(xiàn)來(lái)看，截面尺寸愈大，流速整體水平得到促進(jìn)，但不可忽視其各斷面上流速波動(dòng)性變幅較大，特別是在截面尺寸6.5 m后，后兩個(gè)設(shè)計(jì)方案中斷面間流速變幅最大分別為5.3%、4.8%，而在截面尺寸2.5、3.5 m等方案中，斷面間流速變幅最大不超過(guò)1.3%，過(guò)大的流速帶來(lái)的水力勢(shì)能，一定程度上激發(fā)了管線內(nèi)滲流場(chǎng)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致局部斷面上流速波動(dòng)較大，此會(huì)影響輸水效率。截面尺寸為5.5 m方案中，9個(gè)斷面上的平均流速為0.296 m/s，且斷面間流速最大變幅不超過(guò)1%。綜合流速特征來(lái)看，即使流速較快可促進(jìn)輸水效率，但截面尺寸不應(yīng)過(guò)大，應(yīng)控制斷面流速水平與穩(wěn)定性相結(jié)合。本文中流速計(jì)算結(jié)果表明，截面尺寸參數(shù)5.5 m時(shí)流速表現(xiàn)最優(yōu)，為供水工程中調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)最宜設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 論

1) 塔頂拉應(yīng)力是調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)最大，特征部位上最大拉應(yīng)力隨進(jìn)出水口截面尺寸參數(shù)均為遞減，但降幅逐步減小，特別是在截面尺寸5.5 m后更為顯著；各部位最大壓應(yīng)力隨截面尺寸參數(shù)為先增后減，以尺寸參數(shù)5.5 m方案中壓應(yīng)力最大，分別為6.5、8.44、10.9 MPa。

2) 調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)Z、X向最大位移隨截面尺寸參數(shù)為先減后增變化，尺寸5.5 m方案下為此兩向位移最低，Z、X向位移在尺寸參數(shù)2.5～5.5 m區(qū)間內(nèi)平均降低24%、26.9%，而在5.5～7.5 m方案中分別平均增長(zhǎng)59.1%、44.7%；Y向位移在各方案中基本穩(wěn)定，最大變幅不超過(guò)7%，穩(wěn)定在2.7～3 mm。

3) 截面尺寸愈大，斷面上流速愈大，但斷面上流速波動(dòng)性亦增大，截面尺寸增長(zhǎng)1 m，管線內(nèi)斷面平均流速可增長(zhǎng)24.8%，而截面尺寸6.5 m方案后流速變幅最大為5.3%，管線內(nèi)流速穩(wěn)定性減弱。

4) 綜合調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)靜力特征與管線內(nèi)水力特性，進(jìn)出水口截面尺寸為5.5 m時(shí)，結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)力表現(xiàn)均最優(yōu)，且管線內(nèi)流速水平與穩(wěn)定性均最適宜，為最佳設(shè)計(jì)方案。