萬家寨引黃入晉工程引黃入晉工程水力學(xué)分析

萬家寨引黃入晉工程引黃入晉工程水力學(xué)分析

1工程組成及工程特點(diǎn)山西省萬家寨引黃入晉工程是世界上罕見的大型流域引水工程。位于山西省西北部，向太原、大同和平朔三個(gè)能源基地供應(yīng)供水。工程由總干線、南干線及北干線三部分組成,總長(zhǎng)約313.2km。引黃工程路線長(zhǎng),建筑物眾多,地形、地質(zhì)條件復(fù)雜,工程經(jīng)過區(qū)域有高山峻嶺,也有深切峽谷,提升高度600多m。工程從萬家寨2號(hào)、3號(hào)壩段取水,經(jīng)142km主洞、5座泵站、申同嘴水庫、7座渡槽、2座埋涵和3座水閘至頭馬營(yíng)入汾河?？偢删€、南干線的建筑結(jié)構(gòu)分布列于表1。2洪水工程的運(yùn)行條件將引水工程沿線的水體溫度分布抽象為一維的沿水流方向變化的計(jì)算模型。假定在計(jì)算時(shí)段內(nèi),引水工程的運(yùn)行條件保持不變,即流量、萬家寨取水口進(jìn)水溫度以及外界氣溫等為常量,則水體滿足流量平衡方程和熱量平衡方程,引水工程結(jié)構(gòu)中的水體處于動(dòng)量與能量的動(dòng)態(tài)平衡中,形成穩(wěn)定的溫度場(chǎng)和流速場(chǎng)。2.1q、q、tx水考察引水工程中的一個(gè)過水?dāng)嗝?如圖1)。斷面沿水流方向的坐標(biāo)為x,斷面的結(jié)構(gòu)形式以及邊界條件與具體的引水結(jié)構(gòu)和所處地理位置有關(guān),可令它們?yōu)閤的函數(shù)。流量平衡方程:Q(x)=Q(x+dx)(1)Q(x)=Q(x+dx)(1)式中:x為沿水流方向的坐標(biāo)值;Q為流量。流速方程:u(x)=Q(x)A(x)=dxt(x)(2)u(x)=Q(x)A(x)=dxt(x)(2)式中:u(x)為x處水體的流速;A(x)為x處水體的過水面積;t(x)為Q流量的水體在x處通過dx段長(zhǎng)度所用的時(shí)間。熱量平衡方程:ρwcwpQV(x)dTw(x)=?[Tw(x)]t(x)(3)ρwcwpQV(x)dΤw(x)=?[Τw(x)]t(x)(3)式中:ρw、cwp分別為水體的密度和定壓比熱;QV(x)=Q·1s;Tw(x)為x處水體的溫度;?[Tw(x)]為引水線路x處的水體在單位時(shí)間內(nèi)與外界的熱交換量(水體吸熱為正、散熱為負(fù))。利用式(2),對(duì)式(3)處理得水溫沿水流方向分布的微分方程為dTwdx=?[Tw(x)]A(x)ρwcwpQV(x)Q(x)(4)dΤwdx=?[Τw(x)]A(x)ρwcwpQV(x)Q(x)(4)2.2洪水工程路線對(duì)方程(4)可采用有限單元法進(jìn)行求解,根據(jù)引水結(jié)構(gòu)的種類、埋深與地質(zhì)、氣象條件,將引水工程路線分段進(jìn)行有限元離散并求解。其中由于不同引水結(jié)構(gòu)中的水體與外界熱交換量?[Tw(x)]的計(jì)算方式不同,分別有地下結(jié)構(gòu)的熱交換計(jì)算模型、渡槽結(jié)構(gòu)的熱交換計(jì)算模型、水庫及明渠結(jié)構(gòu)的熱交換計(jì)算模型、泵站結(jié)構(gòu)的熱交換計(jì)算模型。3計(jì)算南支總干線和總干線的水溫3.1水溫的選取。據(jù)初至計(jì)算模式,載水件的確定為萬家寨引黃工程地處內(nèi)陸深處,冬季干燥寒冷,雨雪稀少且多風(fēng)沙。年際溫差不大,年內(nèi)變化大,變幅達(dá)50℃,年平均氣溫7℃,月最低平均氣溫-17.2℃。多年平均風(fēng)速2.2～4.2m/s,歷年最大風(fēng)速18m/s。最大凍土深度為192cm,最大積雪厚度26cm?？偢删€取35個(gè)有代表性的溫度控制截面,南干線取27個(gè)有代表性的溫度控制截面。具體計(jì)算參數(shù)的取值見文獻(xiàn)。萬家寨水利樞紐取水口處水溫分別取:1.5、2.0、4.6℃;流量分別取:6.45、24.0、48.0m3/s進(jìn)行組合計(jì)算。3.2水溫變化情況總干線沿線水溫變化情況如圖2、圖3所示。圖2中系列1、2、3分別為萬家寨水利樞紐取水口處水溫為1.5、2.0、4.6℃時(shí)的情況。圖3中系列1、2、3分別為流量6.45、24.0、48.0m3/s時(shí)的情況。南干線沿線水溫變化情況如圖4所示。圖4中系列1、2、3分別為萬家寨取水口水溫1.5、2.0、4.6℃的水體流經(jīng)總干線后在南干線上的溫度變化情況。4冬季防止洪水結(jié)晶計(jì)算公式(1)地下引水結(jié)構(gòu)(如隧洞、壓力埋管、埋涵等)中的水體溫度變化不明顯,這是因?yàn)榈叵乱Y(jié)構(gòu)與巖土已形成較為穩(wěn)定的溫度場(chǎng),外界氣溫的變化對(duì)其影響不大。一般而言,巖土在其他客觀存在的地?zé)嵩醋饔孟?實(shí)際地溫比地下引水結(jié)構(gòu)中水體的溫度高,水體不僅不散熱,還會(huì)吸收一些熱量。本文中水體對(duì)巖土散熱的計(jì)算模型是基于無其他熱源存在,地溫場(chǎng)完全由引水結(jié)構(gòu)這個(gè)熱源確定而進(jìn)行的。(2)由于渡槽結(jié)構(gòu)直接接觸外界大氣,因而外壁溫度基本接近于氣溫,渡槽結(jié)構(gòu)有一定程度的散熱量,如南干線1號(hào)渡槽長(zhǎng)654m,水體流動(dòng)時(shí)溫度大約降低0.02℃。(3)泵站結(jié)構(gòu)中既存在著地下結(jié)構(gòu)散熱類型,又存在著類似水庫及明渠散熱類型的進(jìn)口、出口調(diào)水調(diào)壓井散熱,還存在著水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)給水體帶來的熱能。因此計(jì)算復(fù)雜,溫度變化反復(fù),所取的溫度控制截面較多,但總體來看,水體經(jīng)過泵站結(jié)構(gòu)后,溫度還有所升高(如南干線上的兩座泵站)。(4)從整個(gè)引水線路水溫變化情況看,從萬家寨取水口至申同嘴水庫進(jìn)水口的水溫變化很小,線路上水溫變化的上下幅度差在0.08℃左右,申同嘴水庫進(jìn)水口的水溫相對(duì)萬家寨取水口的水溫變化在-0.02～0.06℃之間;從申同嘴水庫出水口一直至南干線上明渠結(jié)構(gòu)的入水口,水溫變化也相當(dāng)小,線路上水溫變化的上下幅差在0.06℃左右。水體經(jīng)南干線上的明渠結(jié)構(gòu)降溫在-0.2℃左右;水體經(jīng)申同嘴水庫的溫度變化與流量有關(guān),當(dāng)流量為6.45m3/s時(shí),水體降溫在-2.8℃左右,因此明渠結(jié)構(gòu)和申同嘴水庫為主要散熱結(jié)構(gòu),特別是申同嘴水庫構(gòu)成引水線路上的溫度“瓶頸”,申同嘴水庫的出庫水溫是整個(gè)引水線路上的主要控制指標(biāo),必須引起高度重視。(5)水體與大氣之間的熱交換是造成水庫和明渠散熱的主要原因;水體與庫壁之間的對(duì)流換熱對(duì)水體溫度的影響較小。(6)水體流量的大小對(duì)溫度的變化影響顯著,當(dāng)流量為6.45m3/s時(shí),即使萬家寨取水口初始水溫為4.6℃,到達(dá)分水閘時(shí),水溫只有1.4074℃;但若流量為48.0m3/s時(shí),即使初始水溫為1.5℃,到達(dá)分水閘時(shí),水溫還有1.1887℃。從上述結(jié)論可看出,在冬季