于新艳

(中工武大设计集团有限公司 新疆分公司，乌鲁木齐 830000)

1 概 述

输水工程沿线管道安全稳定关乎着上下游集水源与灌渠用水安全性[1-2]，对管线上分布的水工建筑结构设计应重点优化分析[3-4]，提升输水管道整体设计水平。何相慧等[5]、刘瑶[6]、牛权等[7]针对输水管道的结构设计主要停留在水力特征研究，通过探讨管线内流速、水位等特征参数的变化，分析不同工况下不同设计方案间输水管线设计利弊性，为输水工程运营、设计提供依据。以上相关研究成果主要集中在水工模型试验中，而仿真计算手段同样应用较广泛，利用Fluent等渗流计算平台可较高效研究不同输水管线中渗流场活动，为评价管线内水力特征状态提供计算佐证[8-10]。输水管线上的水工结构不仅需要考虑水力特征，同样需要考虑其静力特性[11-12]，应综合分析水工建筑设计参数对结构静力特性及水力特征影响，系统评价设计参数带来的利弊性，为设计方案优化提供参考。本文根据引额供水工程中调压塔结构在上下游输水管线中重要调控作用，设计开展调压塔进出水口截面尺寸参数的优化分析，从结构静力特性与水力特征入手，探讨结构最优设计方案。

2 工程建模分析

2.1 工程概况

额尔齐斯河是新疆北部地区重要的水源地，流域集水面积20 000 km2，干流沿线有多个水文监测站，河床坡降比为1.1‰，具备丰富的水资源，可作为引水工程重要取水源头。引额供水工程是解决新疆北部城乡用水的关键性工程，主要水工建筑包括有泵站、取水口建筑、调压塔及输水管道等。该引水工程以五家渠市黄家梁水库为中转枢纽，分梯段配置调节水库，共有3个区段，其中第一区段全长为600 km，全渠道采用DN3000钢套管，确保输水安全性。为确保引水流量与输水径流相匹配，设置有提水泵站设施，全设施涵盖有进水池、厂房、出水管道及其他工程，五家渠市黄家梁水库上游泵站是整个供水工程的重要中转站点，经泵站的加压提升后，由输水压力管道直至下游输水渠。从供水管线分布来看，共有南北两管道，其中南线管道全长为150 km，铺设有PCCP管道，全管道渠底衬砌有塑性混凝土与土工膜作为防渗系统，有效降低输水耗散。北线管道长210 km，主管材为DN1600PCCP管、DNl600钢管，设计最大流量为56 m3/s，管线底部喷射有防渗墙结构，确保管线输水稳定性，管线内包括有多个水闸控制枢纽，对渠道内水流流态、渗流活动进行有效控制，降低输水管道内水力涡流、漩流等现象。在南北两输水管线工程建设中，均采用顶管工作井施工方法，其工作结构平面图见图1。

图1 顶管工作井工作结构平面图

在输水管线与下游用水调度枢纽间配备有调压塔，该调压塔是下游支线与主干线水流量控制的重要水工设施，设计调度水量达12.5×104m3/d，塔前管线最大流量为1.65 m3/s，地面高程为3.5 m，顶部高程为17.7 m，塔高与底板厚度分别为20、2 m，溢流管与上下游干线输水管道相连，所采用的的标准管道见图2。塔内直径为15 m，该结构上下游分别设置有节制阀门，其结构稳定性与水力特征是主干线输水管道稳定运营的重要基础[13-14]。为此，工程管理部门考虑对引额供水工程管线上调压塔结构进行加固设计，主要针对调压塔进出水口截面尺寸进行研究，该截面尺寸状态一方面影响调压塔自身结构体系稳定性，另一方面对输水管道内水力特征具有重要影响。

图2 标准管道

2.2 仿真建模

利用UG构件平台建立调压塔上下游管线及结构示意图，并简化部分附属水工建筑，见图3。并基于Abaqus仿真平台对该平面图进行有限元网格划分[15-16]，图4为经Abaqus仿真计算后建立的全管线调压塔有限元模型，并将上下游管线划分出10个区段，方便对各区段水力特征进行分析。调压塔结构两侧均设定为法向变形自由度条件，塔顶部设定为水平向约束自由度条件。本文计算模型中X、Y、Z正向分别设定为输水管线轴向向下游方向、输水管线横向调压塔方向、结构自重竖直向上方向。

图3 UG构建的调压塔模型

图4 调压塔有限元模型

根据对引额供水工程全管线输水状态调研得知，管线设计最大流量并不超过2 m3/s，因而调压塔进出水口截面尺寸直径最大不超过8 m，而本模型中塔底板厚度为2 m，故而调压塔进出水口截面尺寸应介于2～8 m区间。为此，本文设定仿真计算模型对比试验组中尺寸参数分别为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个方案，其他设计参数均保持相同，仅改变进出水口截面尺寸参数，研究结构静力特性与水力特征影响变化。

3 调压塔设计对结构静力特性影响

3.1 应力特征

为研究调压塔进出水口截面设计尺寸对结构静力特性影响，本文以调压塔顶、塔底及侧壁作为特征部位，研究3部位上应力与位移特征，见图5。

图5 特征部位最大拉应力与截面尺寸参数关系

根据图5中拉应力变化可知，调压塔结构拉应力最大位于塔顶，随截面尺寸参数变化，其最大拉应力分布为1.26～3.03 MPa，而塔底、塔侧壁最大拉应力相比前者在各设计方案中的差幅分别为23.6%～79.2%、8.6%～36.9%；从结构设计角度考虑，应重点增强塔顶刚度，减少塔顶薄弱抗拉面。拉应力与截面尺寸参数R具有负相关变化特征，在进出水口尺寸2.5 m时，塔底最大拉应力为2.32 MPa，而截面尺寸为4.5、6.5、7.5 m时，相应的应力参数较前者分别减少71.3%、87.5%、88.8%；从拉应力受抑制效果来看，其降幅为减小的趋势。在进出水口截面尺寸为2.5～5.5 m区间时，塔底最大拉应力随截面尺寸参数的平均降幅为46.1%；当截面尺寸参数超过5.5 m后，拉应力降幅显著较低，后区间内的设计方案拉应力最大降幅不超过20%，平均降幅为15%。同样，在塔顶与塔侧壁部位，其最大拉应力随进出水口截面尺寸变化趋势与塔底一致，均在截面尺寸5.5 m后，最大拉应力降幅减小；塔顶与塔侧壁部位在截面尺寸2.5～5.5 m区间内的平均降幅分别为24.8%、32.7%，而在5.5～7.5 m区间内，平均降幅分别为0.7%、2.5%。6个设计方案中，3部位最大拉应力均低于1.5 MPa，出现在截面尺寸4.5 m方案，在该方案后，各部位拉应力均远低于材料最大允许抗拉强度。分析表明，进出水口截面尺寸参数愈大，有利于调压塔结构抗压特性。但不可忽视，尺寸参数过大，对拉应力的抑制效应不一定最佳，因此选择最适宜截面尺寸，才有利于调压塔结构抗拉特性。

同理，根据计算获得调压塔结构3特征部位最大压应力与截面尺寸参数关系，见图6。

图6 特征部位最大压应力与截面尺寸参数关系

由图6中压应力特征可知，各部位最大压应力随截面尺寸参数均为先增后减变化，转变节点为截面尺寸参数5.5m方案，该方案下塔顶、塔底及侧壁3部位压应力最大，分别为6.5、8.44、10.9 MPa。当进出水口截面尺寸参数为2.5～5.5 m区间时，结构压应力增长趋势有利于调压塔结构抗滑移、抗倾覆特性，在该区间内，塔顶、塔底及侧壁3部位最大压应力随尺寸参数平均增长32.8%、16.4%、9.2%。当截面尺寸超过5.5 m后，在参数5.5～7.5 m区间内，压应力呈减少变化，结构整体预压效果及抗滑移特性均降低[17]，最大压应力向着不利于结构静力稳定性方面，3部位平均降幅分别为34.9%、23%、20.5%。综合分析可知，本文认为调压塔结构静力特性必须综合考虑拉压应力表现特征，当进出水口截面尺寸为5.5 m时，结构拉压应力表现均最优，该方案最为适宜。

3.2 位移特征

根据调压塔结构静力特性计算，获得截面尺寸参数影响下调压塔各向最大位移变化特征，见图7。从图7中可知，调压塔结构Z、X向最大位移随截面尺寸参数为先减后增变化，以尺寸参数5.5 m方案下为此两向位移最低，分别为5.36、3.38 mm。在截面尺寸参数2.5～5.5 m方案中，尺寸参数2.5 m下X向最大位移为8.82 mm，而尺寸3.5、5.5 m方案中X向位移较前者分别减少31.3%、61.7%，平均各方案间X向位移减少26.9%；同样在Z向最大位移中亦是如此，该方向上最大位移在该区间内平均降幅达24%。当截面尺寸参数超过5.5 m后，拉应力抑制效果减弱，此时结构Z、X向位移增大，各设计方案间Z、X向位移平均增幅可达59.1%、44.7%。相比调压塔结构X、Z向位移，Y向位移在各设计方案中基本处于较稳定，仅有少许波动，最大变幅不超过7%，各方案中Y向位移稳定在2.7～3 mm，表明Y向位移受进出水口截面尺寸参数影响较小。从3个方向位移特征表现可知，印证了截面尺寸为5.5m为最佳方案。

图7 特征部位各向最大位移与截面尺寸参数关系

4 调压塔设计对管道水力特性影响

调压塔作为一种水利控制枢纽，其结构设计会影响输水管线内水力特征。本文以管线内9个断面的流速特征作为评价参数，图8为不同设计方案下输水管线各断面上流速变化特征。

图8 不同截面尺寸参数下各断面流速特征

从图8中可知，调压塔结构进出水口截面尺寸愈大，各断面上流速整体增大，在截面尺寸2.5 m方案中，其各断面上平均流速为0.136 m/s，而截面尺寸4.5、6.5、7.5 m方案中断面平均流速较前者分别增长77.2%、1.6倍、2倍；从整体设计方案流速特征对比可知，当进出水口截面尺寸增长1 m，管线内断面平均流速可增长24.8%，表明截面尺寸愈大，则管线内阻流、摩擦效应愈小，流体愈畅通，故流速愈大。从各方案中流速在断面上表现来看，截面尺寸愈大，流速整体水平得到促进，但不可忽视其各断面上流速波动性变幅较大，特别是在截面尺寸6.5 m后，后两个设计方案中断面间流速变幅最大分别为5.3%、4.8%，而在截面尺寸2.5、3.5 m等方案中，断面间流速变幅最大不超过1.3%，过大的流速带来的水力势能，一定程度上激发了管线内渗流场的不稳定，导致局部断面上流速波动较大，此会影响输水效率。截面尺寸为5.5 m方案中，9个断面上的平均流速为0.296 m/s，且断面间流速最大变幅不超过1%。综合流速特征来看，即使流速较快可促进输水效率，但截面尺寸不应过大，应控制断面流速水平与稳定性相结合。本文中流速计算结果表明，截面尺寸参数5.5 m时流速表现最优，为供水工程中调压塔结构最宜设计。

5 结 论

1) 塔顶拉应力是调压塔结构最大，特征部位上最大拉应力随进出水口截面尺寸参数均为递减，但降幅逐步减小，特别是在截面尺寸5.5 m后更为显著；各部位最大压应力随截面尺寸参数为先增后减，以尺寸参数5.5 m方案中压应力最大，分别为6.5、8.44、10.9 MPa。

2) 调压塔结构Z、X向最大位移随截面尺寸参数为先减后增变化，尺寸5.5 m方案下为此两向位移最低，Z、X向位移在尺寸参数2.5～5.5 m区间内平均降低24%、26.9%，而在5.5～7.5 m方案中分别平均增长59.1%、44.7%；Y向位移在各方案中基本稳定，最大变幅不超过7%，稳定在2.7～3 mm。

3) 截面尺寸愈大，断面上流速愈大，但断面上流速波动性亦增大，截面尺寸增长1 m，管线内断面平均流速可增长24.8%，而截面尺寸6.5 m方案后流速变幅最大为5.3%，管线内流速稳定性减弱。

4) 综合调压塔结构静力特征与管线内水力特性，进出水口截面尺寸为5.5 m时，结构拉压应力表现均最优，且管线内流速水平与稳定性均最适宜，为最佳设计方案。