长距离输水工程中稳压溢流塔的水力特性研究

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1、长距离输水工程中稳压溢流塔的水力特性研究1绪论1.1长距离输水工程简介自古以来，水利工程的两大任务就是除水害和兴水利，为此人们兴建了各种水利工程，范围涵盖了防洪、治费、水力发电、灌溉、航运、给水和水利环境保护等各个方面。在与水斗争的漫长岁月里，人们也积累了丰富的治水经验。随着人类社会的不断发展，人们对于水的需求也不断增长[1]。然而地球上淡水总量仅占地球总水量的2%，而其中的91%又存在于南北极的冰山无法得到利用。其余9%可资利用的淡水资源又由于科技条件的限制而得不到充分利用。由于淡水资源的天然分布与人类的地理分布极不一致，来水量的时间分配又与人们的

2、生活需求存在极大差距，因此往往存在区域性的水量不足的问题，从而制约了地区经济社会的发展，严重影响了人们的生活质量。我国淡水资源总量约为2.8X10i3m3，就总量来说还是较多的，但其中绝大部分是难以被开采利用的水资源和远离需水地区的地下水，仅有占淡水总量37%左右的淡水资源可资利用，因此我国是一个缺水严重的国家，不仅东西部的差异十分明显，而且南北部的分布也极不平衡。随着城市化进程的推进[2]，城市水资源供需的矛盾也日益严重。水资源分布的不均也使得有的地区供水量出现假富余的现象。就水体总体分布而言，我国淡水资源目前属于极度缺乏状态。全国城市缺水总量高达

3、60亿m3，20%以上城市缺水现象严重，更有70%以上的城市供水形势紧张。在我国很多地区，人们环保意识严重缺失，这就造成了人口越聚集，污染越严重的现象，而人口多聚集在大中河流附近，这就对水体造成了严重的污染。目前我国很多河流受到污染，其中污染严重的河流有的已经无法利用。受污染严重的河流已经成为一种新的污染源，不仅不能利用，而且对其他河流的水质造成直接影响。因水质污染严重，在我国仅有的30%水量丰沛的城市中也出现水质性缺水的现象。1.2水击压力对输水管道的影响长距离输水工程是一项巨大而复杂的工程，一般来说在输水管道的进水口、配水站、用户等设施处都设有阀

4、门进行控制。当所有阀门的开度都固定不变时，在输水管道中的水流是恒定流，但是由于设施众多，每时每刻的需求不一致，所以在输水工程中阀门的幵度不可能是固定不变的。当阀门突然改变开度时，输水管道中的压强会骤然改变，随后附加压强将出现正负交替变化的现象，这种现象称为水击。虽然这种附加压强正负交替变化的现象会由于水头损失等原因而逐渐变小并最终消失，但在水击过程中压强增大到很高值常常会引起管道振动甚至破坏。因突发事故等因素引起压力急剧变化有可能产生水击现象,水击严重时甚至会造成管道瞬间爆裂，掩没粟站和水厂等重要设施，对工业生产和居民生活产生不利影响，给人民的生命财

5、产和国家的根本利益造成巨大的损失，由水击引起的事故也不在少数。大庆一秦皇岛输油管道曾因水击压力过大导致管道爆裂，造成原油大量泄漏并对当地生态环境造成了极大的污染。因此在输水管道的设计和正常运行过程中应对水击引起足够的重视，并采取工程技术措施来降低水击引起的危害。.2稳压溢流塔水力特性研究2.1稳压溢流塔的作用溢流塔是防护输水管道中水击非常有效的工程措施。其工作原理是当输水管道内出现负压时，溢流塔内储存的水流向输水管道，从而防止输水管道内部出现水柱分离现象，当输水管道内压力过高时，由于压强作用，输水管道内的水流进入溢流塔，从而降低输水管道内部压强，防止

6、出现管道爆裂的发生。概括起来就是，溢流塔的作用是稳压溢流，调节输水管道中水流的流态、压强、流速等水利要素，从而保证管道的安全运行[1213，14，15]。因此必须要避免在溢流塔内产生的绝对值过大的负压，在溢流塔顶部的适当位置设置通气孔，防止负压的绝对值过大，从而避免产生空烛破坏。与传统溢流调压塔相比，双管式稳压溢流塔有结构简单，施工难度小，投资少等优点，但是对于塔内的消能，防空化空烛由较高要求。.2.2溢流塔与虹吸管双管式溢流塔形式上类似于虹吸管，但在水力特性上有所区别，为了更好地研究溢流塔，将溢流塔与虹吸管进行比较[2G]。虹吸原理是利用在虹吸管高

7、处制造的负压，使上游水面和虹吸管内之间产生压差，从而引导水流通过虹吸管的最高处流向低处[21]。由于随着虹吸管高度的增髙，管内最高点的压强越来越小，甚至产生负压，当管内压强低于水流汽化压强时，水流将汽化，影响流态的连续性。因此虹吸管的高度有一定限制，不能无限的增高，一般来说，为防止汽化的产生，严格将管内的真空度控制在8m以内。虹吸管是重要的管道输水方式之一，在地形崎妪，高低起伏的地方输水，如果开凿隧洞则经济成本过大，这时使用虹吸管输水，可以跨越地形上的障碍，而且结构简单，投资少。虹吸管包括进口段、管身段和出口段三个组成部分。按照结构形式划分，虹吸管可

8、分正虹吸管与倒虹吸管两种：倒虹吸管常用于通过谷地、沟塾、道路、河道等而设置的压力输水管道[22]。常用钢筋混