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引洮供水一期工程是以九甸峡水利枢纽工程为水源,重点解决甘肃省中部地区干旱缺水问题,改变该地区贫穷落后面貌和生态环境恶化状况的大型跨流域调水工程。该引水工程总干渠有渡槽、暗渠及隧洞等形式,采用无压输水方式。
该引水工程位于温带季风气候带和温带大陆性气候带,冬季比较寒冷、气温低,对引水工程影响较大.对处于北方寒冷地区需要冬季运行且无压输水的引水工程,为防止水流冻结及引水设施的冻胀破坏,在冬季低温环境下的安全运行就值得研究和探索。
本文以相似理论为基础,采用室内模型试验方法,结合引洮工程实际工程,系统研究了在环境温度、水流流速及进水口水温等影响因素下流经渡槽、暗渠和隧洞等引水渠道的水流温度变化情况。通过试验数据分析,提出了不同影响因素下流经引洮供水一期总干渠渡槽、暗渠及隧洞水流的温度变化预测模型。对于渡槽引水型式,通过槽壁有无保温材料的对比试验,研究了保温材料的保温效果。经过本文研究,得出了以下主要结论:
(1)通过室内模型试验研究,渡槽、暗渠及隧洞内水流温度的降低值主要与环境温度、流速及进水口水温有关。对于渡槽而言,外界温度对水流温度的降低的影响最大,其次是水流的流速变化对水流温度的降低的影响,进水口水温对水流温度的降低的影响相对较小。对于暗渠工程,水流流速对流经暗渠内水温变化的影响最大,其次是进水口水温的变化对流经暗渠内水温的影响,土体环境温度对流经暗渠水流温度的影响相对较小。三种因素对隧洞内水流温度的变化影响与暗渠相同。
(2)经过数据拟合,得到渡槽、暗渠及隧洞内水流温度的降低值与环境温度流速及进水口水温的预测公式,可以预测任意外部环境温度、流速及水温的水流流经渠道的温度变化情况。这对同类水利工程建设及运营起到一定的指导作用,具有重要现实意义。
(3)冬季环境温度较低,渡槽暴露在大气中,对水流温度降低明显。在极端严寒气温条件下,外部气温对流经渡槽的水流影响较大,水流在渡槽中流经较短距离溫度就会降低到0℃附近。即使在冬季常规气温条件下,但在进水口温度较低时,渡槽中的水流流经较长距离后温度会降低到0℃附近。根据暗渠周围土体温度与流经暗渠水流温度高低不同,暗渠对水流既能起到降温作用,又可以对水流起到升温的作用。在极端严寒气温条件下,暗渠对流经的水流的降温作用明显。暗渠中的水流流经较长距离后温度也会降低到0℃附近。隧洞埋深较大,在冬季受气温影响小,主要对水流起到升温作用。
(4)渡槽在冬季运行时应该进行气温及进水口水温的监测,尤其是极端低温的情况下,渡槽中的水流容易发生冻结,对引水工程产生冻害。所以在实际引水工程中设置渡槽时,不宜单独设置过长,最好中间有暗渠及隧洞相连接,要充分利用隧洞及暗渠的保温及升温作用,以保障该引水工程的安全运行。
(5)渡槽模型表面粘贴保温材料能有效防止渡槽中水流温度降低。经对比试验,渡槽模型表面粘贴聚氨酯保温板后,模型中水流温度降低值相对于无保温材料时减小了约45％,聚氨酯保温板在防止渡槽水流温度降低方面的作用明显。