CN1821495A - 防振荡输水结构 - Google Patents

Abstract

防振荡输水结构，解决现有分段低压输水系统存在水力振荡，且长时间无法稳定的问题。本发明防振荡输水结构，由N组包括保水堰井、压力管道的输水单元构成，相邻两组输水单元之间的固有水力振荡频率比ω′满足ω′≤0.7或ω′≥1.4。保水堰井下游的压力管道之上设置有调压柜，调压柜与检修井之间设置有连通孔。本发明在保留分段低压输水系统结构优点的同时，通过合理的选择输水单元的固有水力振荡频率参数，使相邻单元的频率错开，可有效减小水力过渡过程中的水力振荡并控制其向下游的扩大传播，避免共振的发生，检修时在考虑到相邻输水单元固有频率错开的条件下在水力振动剧烈的检修井后设置调压柜能有效减小检修井的剧烈振荡，防止脱空，实现全系统的安全、稳定输水。

Description

防振荡输水结构

【技术领域】：本发明属于大型长距离输水领域中的建筑结构形式。

【背景技术】：随着社会经济的发展、人口的增长及城市进程的加快，人们对水资源的需求量越来越多，加之水资源时空分布不均，使得不同地区尤其是一些大中型城市都出现了水资源短缺的问题，严重制约着社会经济的发展。而修建大型长距离输水工程是调节水资源时空分布不均，解决水资源供需矛盾的最有效、最直接的手段。

以往输水工程主要采用无压或有压输水的形式，但是无压输水对于运行调节反应慢，而且开敞式无压输水还存在水质难以保障、蒸发渗漏损失大、冰期输水困难等不足，而有压输水则不存在上述缺点，但是传统的整体有压输水的水力控制较为复杂，在采用首端控制时容易出现管道脱空，产生负压等不利现象，在采用尾部控制时又存在水击压力过大以及闸后消能等问题，所以保证安全、稳定输水难度较大。分段低压输水是一种新型的有压输水方式，它是将整体压力输水线路分成相对独立的压力输水单元，输水单元之间通过保水堰井连接，无论是在正常运行还是静水状态下，输水系统都能够满足自动保水的要求，使线路处于压力状态。只需对首端流量进行控制，系统的水位压力就会自动达到合理的状态，在小流量的情况下，分段低压输水系统通过分段降低水头使得输水管线的压力分布比整体压力输水管路更加合理，管线承受的压力水头相应减小，这样可以简化有压输水的控制条件，降低输水线路造价，提高有压管道的安全性，故该输水形式得到了越来越广泛的应用。虽然分段低压输水系统存在以上优势，但是其具有水力振荡的固有特性，在正常流量调节所引发的水力过渡过程中系统沿线的水位、流量等要素的水力振荡有向下游传播甚至加剧的趋势并呈现明显的周期性，且长时间无法稳定，这种水力振荡在输水单元的下游保水堰的自由水面处表现的尤为明显，不利于输水系统的安全、稳定运行。

【发明内容】：本发明的目的是解决现有分段低压输水系统存在水力振荡，且长时间无法稳定，不利于输水系统的安全、稳定运行的问题，提供一种防振荡输水结构，使其在正常运行时，能有效的减小水力过渡过程中的水力振荡并控制其向下游的扩大传播，检修时能有效减小检修井的剧烈振荡，防止脱空，实现全系统的安全、稳定输水。

本发明提供的防振荡输水结构，由N组包括保水堰井、压力管道的输水单元构成，每组输水单元由M个相同的输水单元并联而成，并联的输水单元仅在保水堰井处无压差连通，其中N、M均为正整数，相邻两组输水单元之间的固有水力振荡频率比ω′满足ω′≤0.7或ω′≥1.4，各输水单元的固有水力振荡频率满足公式： $\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{\mathrm{Ag}}{\mathrm{FL}}},$ 其中：

A为输水单元有压管道断面积，g为重力加速度，F为输水单元上游自由水面面积，L为输水单元长度。

在保水堰井下游一侧紧邻设置有检修井，检修井与保水堰井后池通过检修闸门相连，保水堰井下游的压力管道之上设置有调压柜，调压柜的底板为压力管道的顶板，调压柜与检修井之间设置有连通孔及连通闸门，各检修井不连通。调压柜整体为箱形，与输水单元压力管道同宽，并联的各输水压力管道之上的调压柜无压差连通。

本发明的优点和积极效果：本发明在保留分段低压输水系统结构优点的同时，通过合理的选择输水单元的固有频率参数，使相邻单元的固有频率错开，可有效的减小水力过渡过程中的水力振荡并控制其向下游的扩大传播，避免共振的发生，检修时在考虑到相邻输水单元固有频率错开的条件下在水力振动剧烈的检修井后设置调压柜能有效减小检修井的剧烈振荡，防止脱空，实现全系统的安全、稳定输水。

【附图说明】：

图1为本发明防振荡输水结构整体概化示意图；

图2为本发明中设置了调压柜的保水堰井的总剖面示意图；

图3为本发明中设置了调压柜的保水堰井的平面示意图(三孔并联形式)。

图中，1为保水堰井，2为调压柜，3为输水压力管道，4为检修闸，5为检修井，6为保水堰，7为调压柜与检修井的连通孔，8为并联调压柜间的连通孔，9为保水堰井连通孔，A为压力管道断面积，B为检修井的自由水面面积，C为调压柜的自由水面面积，D₁为保水堰井为井流时的自由水面面积，D₂为保水堰井为堰流时的自由水面面积，L为输水单元长度。其中B、C、D₁(D₂)的面积之和即为输水单元上游的自由水面面积F。

【具体实施方式】：

实施例1

如图1-3所示的一个防振荡输水结构，其由并联的压力管道3和连通的保水堰井1组成，其中N＝5、M＝3，即共5组输水单元，每组为3个。经研究发现分段低压输水系统水力振荡向下游传播逐渐加剧的现象正是由于水流共振所致，此时必须将相邻输水单元的固有频率错开才可避免共振。经研究可知输水单元的固有水力振荡频率与输水单元长度L、输水压力管道断面面积A、单元上游自由水面面积F有关。设置了调压柜的输水单元由保水堰井1、调压柜2、压力管道3构成，输水单元上游的自由水面面积F增加了调压柜的自由水面面积，即单元上游的自由水面面积F为保水堰井、检修井、调压柜自由水面面积之和(正常运行情况)或检修井与调压柜自由水面面积之和(检修情况)，考虑到工程设计的实用性和可操作性，为输水系统的各个输水单元选择合理的固有频率参数，各输水单元相应的固有频率参数值如下表所示，继而得出五个输水单元的固有水力振荡频率分别为0.0060、0.0083、0.0046、0.0066、0.0099，从而使得相邻单元的固有水力振荡频率错开，防止水力振荡向下游的扩大传播，避免水流共振的发生。

在检修输水系统的第四输水单元时需要关闭该单元首端的检修闸4，这时检修井5出现水力振荡剧烈，水力要素稳定慢等问题。如图2、图3所示，应在该检修井后设置调压柜2，第四单元首端保水堰井总长26m，堰前池长10m，堰后池长16m，调压柜长为12m，调压柜与输水压力管道同宽，并联调压柜之间通过连通孔8无压差连通，各检修井之间不连通，调压柜与检修井之间的连通孔7取1.2m，以保证调压柜与检修井之间无压差连通。在正常运行时调压柜与检修井连通的三个闸门均呈开启状态，当进行关闸检修操作时，关闭非检修管道所对应的连通闸门，可以利用连通柜的总面积减缓振荡，即相当于增大了检修井处的自由水面面积，从而有效减小检修井自由水面的振荡频率和幅值，并缩短其波动的时间。各输水单元相应的固有水力振荡频率参数值

	输水单元1	输水单元2	输水单元3	输水单元4	输水单元5
						输水单元长度L(m)	10016	9560	18404	15727	8560
压力管道断面积A(m2)	7.06	7.06	7.06	7.06	7.06
						单元上游自由水面面积F(m2)	192.1	105.2	177.8	101.1	82.6

Claims (3)

1、一种防振荡输水结构，由N组包括保水堰井、压力管道的输水单元构成，每组输水单元由M个相同的输水单元并联而成，并联的输水单元仅在保水堰井处无压差连通，其中N、M均为正整数，其特征是相邻两组输水单元之间的固有水力振荡频率比ω′满足ω′≤0.7或ω′≥1.4，各输水单元的固有水力振荡频率满足公式： $\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{\mathrm{Ag}}{\mathrm{FL}}},$ 其中：

A为输水单元有压管道断面积，g为重力加速度，F为输水单元上游自由水面面积，L为输水单元长度。

2、根据权利要求1所述的防振荡输水结构，其特征是在保水堰井下游一侧紧邻设置有检修井，检修井与保水堰井后池通过检修闸门相连，保水堰井下游的压力管道之上设置有调压柜，调压柜的底板为压力管道的顶板，调压柜与检修井之间设置有连通孔及连通闸门。

3、根据权利要求1或2所述的防振荡输水结构，其特征是调压柜整体为箱形，与输水单元压力管道同宽，并联连通的各输水单元压力管道之上的调压柜无压差连通。

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