分級臥管式放水建筑物水力計算及體型設(shè)計

1、分級臥管式放水建筑物水力計算及體型設(shè)計摘要：分級臥管式放水建筑物是小型水庫的重要組成部分，臥管因庫水位升降 及多級分層進(jìn)水影響，水力及運行工況復(fù)雜，無相應(yīng)技術(shù)規(guī)范可依據(jù)，為解決工 程設(shè)計中水力計算及其結(jié)構(gòu)體型問題，針對工程實踐中分級臥管式放水建筑物相 關(guān)水力及其結(jié)構(gòu)技術(shù)特性的分析探索，對臥管管身的關(guān)鍵部分放水孔、內(nèi)斷面及 消能室尺寸確定提出水力計算方法，并提出建筑物及其結(jié)構(gòu)布置與體型設(shè)計需注 重考慮的主要因素，可為相應(yīng)工程設(shè)計參考借鑒。關(guān)鍵詞：分級臥管；水力工況；水力學(xué)；體型；設(shè)計Hydraulic calculation and shape design of the graded lie

2、tube drain buildingZHANG Duol，DANG Hong-zu2(l.Gansu Ganlan Survey and Design Institute Co.，Ltd ofWater Resources and Hydropower， Lanzhou 730030， China；China Northwest Design Institute Co.，Ltd of Municipal Engineering， Lanzhou 730000，China)Abstract： Graded lie on the water tube type building is an im

3、portant part of small reservoirs， horizontal pipe for water lifting and multi-stage stratified water， hydraulic and operation condition is complex， there is no corresponding technical specification， to solve the hydraulic calculation and its structure size problems in engineering design， aiming at g

4、raded lie on the water pipe in engineering practice the paper analyses the characteristics of the hydraulic and its related structure technology to explore，to lie the tube body is a key part of the plughole，cross section and energy dissipation in room size to determine the hydraulic calculation meth

5、od is put forward， and put forward the building and structure arrangement and size design should pay attention to consider the main factor， can be used for the corresponding engineering design reference.Key words： Graded lie tube； Hydraulic conditions； Hydraulics； Size； Design1、引言分級臥管式分層放水建筑物是上世紀(jì)八十年

6、代之前我國中小型，特別是小型 以農(nóng)田灌溉為主要任務(wù)的水庫中，較為普遍采用的放水型式，應(yīng)用較為廣泛，采 取在大壩壩體或兩岸岸坡沿坡面布設(shè)傾斜式臥管，臥管結(jié)構(gòu)上部在水庫興利庫容 內(nèi)死水位正常蓄水位變動范圍垂直或水平開設(shè)多級臺階型系列進(jìn)水孔，可引取 表層高溫水。分級臥管式分層放水結(jié)構(gòu)具有不同庫水位下均可保證有效放水，保 證率高，庫水位升降對放水影響微小，并可兼顧水庫泄洪與放空檢修，無需進(jìn)水 塔與工作橋，可利用磚石等當(dāng)?shù)夭牧辖ㄔ?，技術(shù)要求較低，施工簡便快捷，放水 運行管理簡易等優(yōu)點。同時，在多泥砂及各類漂浮物較多河道中的水庫，臥管管 身及放水孔易遭泥砂與漂浮物堵塞，管身結(jié)構(gòu)存在易漏水、維護(hù)與檢修較為困

7、難 等問題。近三十多年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)實力與水利科技水平的大幅提高，以及水 庫功能與供水任務(wù)的多元化，分級臥管式分層放水建筑物在中型水庫工程中已被 棄用，但在小型水庫工程，特別是多年與完全年調(diào)節(jié)，以及庫水位升降頻繁與放 水流量基本均衡的小型水庫中仍有其優(yōu)勢，作為放水、引取水及泄水結(jié)構(gòu)型式之 一繼續(xù)應(yīng)用，一般控制水頭不大于30.0m。黃河流域中游整治溝道水土流失，攔 蓄泥沙并造地的淤地壩工程中，分級臥管式分層放水結(jié)構(gòu)為典型的放水及泄洪建 筑物廣泛應(yīng)用。近年來，隨著水利工程項目建設(shè)逐步深入與抗旱水源小型水庫的 重點建設(shè)，以及使用年限到期及超期運用老化而需除險加固與改擴(kuò)建的小型水庫 大量增加，分

8、級臥管式分層放水建筑物仍為小型水庫除險加固及改擴(kuò)建的重要工 程技術(shù)措施與設(shè)計方案。分級臥管式分層放水建筑物設(shè)計無相應(yīng)技術(shù)規(guī)程與規(guī)范可依據(jù)，本文結(jié)合小 型水庫工程設(shè)計與建設(shè)實踐，針對工程實踐中分級臥管式分層放水建筑物相關(guān)水 力及其結(jié)構(gòu)技術(shù)特性的分析探索，對臥管管身提出相應(yīng)水力計算方法，以及建筑 物及其結(jié)構(gòu)布置與體型設(shè)計需注重考慮的主要因素，并列舉工程案例分析。壩內(nèi) 埋管（涵洞）或庫內(nèi)兩岸放水隧洞為常規(guī)水工建筑物，其水力計算與體型設(shè)計無 特殊性。2、分級臥管式分層放水建筑物構(gòu)成及布置小型水庫分級臥管式分層放水建筑物通常由傾斜式臥管、多級系列放水孔（取水孔）、孔口啟閉設(shè)施、臥管底部消能室（消力井），

9、以及壩內(nèi)埋管（涵洞） 或庫內(nèi)兩岸放水隧洞等構(gòu)成，臥管管身主要采用砌石、混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 臥管與壩內(nèi)埋管（涵洞）或庫內(nèi)兩岸放水隧洞總體呈不小于90銜接布置。臥管 管身頂部一般應(yīng)高于水庫校核洪水位1.0m以上或與大壩壩頂齊平，并設(shè)置通氣 孔，底部至水庫死水位以下1.02.0m，并依據(jù)壩內(nèi)埋管（涵洞）或兩岸放水隧 洞洞底高程確定。水庫放水或泄水時，按照庫水位升降自上至下逐級打開放水孔， 水流自放水孔進(jìn)入臥管至底部消能室消能，再經(jīng)壩內(nèi)埋管（涵洞）或兩岸放水隧 洞排放至庫外與灌溉渠系及供水系統(tǒng)相接，或排泄至下游河道。分級臥管式分層 放水建筑物典型布置見圖1。圖1分級臥管式分層放水建筑物典型布置臥

10、管通常采用矩型斷面，放水孔孔口一般采用矩型與圓型兩種斷面型式，一 般小孔徑放水孔采用木塞或預(yù)制混凝土塞關(guān)閉，較大孔徑放水孔通常采用手動螺 桿式、提拉、斜拉與鉸支轉(zhuǎn)動等多種平閘板控制啟閉方式。隨庫水位升降，當(dāng)管 身不同高程放水孔孔口即將淹沒或淹沒較淺時，開啟本級放水孔，臥管存在多放 水孔同時進(jìn)水運行工況。3、臥管水力計算及分析小型水庫分級臥管式分層放水建筑物中臥管段受水庫庫水位升降及多級分層 進(jìn)水影響，水力及運行工況復(fù)雜，通過相應(yīng)水力計算為其體型設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)， 水力計算內(nèi)容主要包括管身放水孔、內(nèi)斷面及消能室三部分。3.1、放水孔孔徑管身放水孔布置型式有兩種，垂直進(jìn)水型式孔口布設(shè)于管身各級臺階

11、平臺面， 放水流量僅隨庫水位的升降而變化，水力工況相對較為簡單；水平進(jìn)水型式孔口 布設(shè)于管身各級臺階兩側(cè)面，隨庫水位升降，放水在壓力孔流與無壓明流之間變 化，水力工況相對復(fù)雜。放水孔孔徑?jīng)Q定臥管放水能力，重點對水力工況相對復(fù) 雜的水平型放水孔，分為有壓及無壓兩個階段與工況，并對單孔及多孔聯(lián)合進(jìn)流 工況進(jìn)行分析，垂直型放水孔可參照壓力進(jìn)流工況分析計算。（1）壓力進(jìn)流工況當(dāng)放水孔被完全淹沒時，孔口處于壓力進(jìn)流工況，采用壓力孔流水力學(xué)公式 計算其進(jìn)流量，計算式1如下：（3）單孔典型QH關(guān)系曲線依據(jù)水力學(xué)計算成果，可得出單孔放水流量的變化過程。圖2為某分級臥管 式分層放水建筑物單孔放水流量Q隨庫水位H

12、變化典型關(guān)系曲線。無壓進(jìn)流工況 的放水流量相對于壓力進(jìn)流工況，有較大幅度的下降。（4）多孔聯(lián)合進(jìn)流工況在單孔放水能力水力計算與分析的基礎(chǔ)上，可根據(jù)臥管實際運行方式，分析 其多孔聯(lián)合實際放水過程，計算并分析多孔聯(lián)合放水能力。圖3為某分級臥管式 分層放水建筑物多孔聯(lián)合放水時，放水總流量Q隨庫水位H變化典型關(guān)系曲線。 初期孔口開啟量較少，整體放水能力相應(yīng)較低，后期隨著開啟孔口數(shù)量的增加， 放水流量趨于穩(wěn)定。以圖中后期任意波動單峰為例分析，當(dāng)下級孔口開啟時，同 時運行放水孔達(dá)到3個，放水流量急劇增大；隨庫水位下降，放水能力逐步減弱; 某1孔口進(jìn)入無壓進(jìn)流或退出放水運行時，整體放水能力進(jìn)一步減弱；隨后新

13、孔 口不斷參與進(jìn)流，波動單峰進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)。圖3臥管多孔聯(lián)合放水典型QH關(guān)系曲線3.2、臥管內(nèi)斷面水流自放水孔進(jìn)入臥管內(nèi)部匯總下泄至底部，以不小于90轉(zhuǎn)向至消能室消 能，臥管內(nèi)斷面尺寸按管身多級放水孔聯(lián)合運行時的最大總進(jìn)流量控制確定。臥 管為陡坡布置，管內(nèi)水流流速較高，應(yīng)考慮一定的摻氣水深。一般按不含氣水流， 并將管身水力糙率適當(dāng)加大的方法計算摻氣水深，使其留有一定安全余度。管身 水力糙率增大倍數(shù)隨坡比而變，可參考表1取值2。4、臥管布置及結(jié)構(gòu)體型設(shè)計小型水庫分級臥管式分層放水建筑物中臥管結(jié)構(gòu)體型設(shè)計，應(yīng)注重考慮以下方面的主要 因素：4.1、臥管與放水孔布置主要根據(jù)放水流量大小及臥管管身結(jié)構(gòu)規(guī)模

14、，合理確定臥管條數(shù)，以及管身放水孔進(jìn)水 型式與數(shù)量。管身垂直與水平兩種進(jìn)水型式放水孔各有優(yōu)缺點，垂直型放水孔單臺階為單孔， 增大放水流量時需加大管身結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)水流量相對較??；水平型放水孔單臺階可設(shè)置為2 孔，管身結(jié)構(gòu)工程量無需增加，進(jìn)水流量相對較大。根據(jù)放水流量的大小，以及管身結(jié)構(gòu)的 合理性，也可采用垂直型與水平型兩種放水孔組合的方式。通常放水流量較小時，采用單條 臥管及垂直型放水單孔；放水流量較大時，可布置23條臥管，并采用水平型放水孔或兩 種放水孔組合型式23孔，以避免孔徑過大，造成啟閉困難及臺階平臺尺寸偏大。對重要 與規(guī)模較大的分級臥管式分層放水建筑物，必要時需通過工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較

15、確定。臥管管身布置坡比一般按1/2.01/4.03，并根據(jù)大壩壩坡，以及庫內(nèi)兩岸岸坡天然地 形確定，避免管槽開挖量過大。一般控制單臺階高度為0.30.6m，放水孔沿管身縱向垂向 中心距為0.30.8m，孔徑為0.20.6m較為合理3。管身兩側(cè)布設(shè)通道、欄桿及路燈等設(shè) 施，方便運行管理與維護(hù)檢修。4.2、管身基礎(chǔ)臥管段長度較大，為保持整體性，防止產(chǎn)生不均勻沉陷變形，管身應(yīng)置于均勻且堅實基 礎(chǔ)上，軟基須采取換基等方式有效處理。4.3、管身結(jié)構(gòu)與斷面各級放水孔臺階平臺高差與寬度之比采用與臥管管身坡比相同，使整體體形協(xié)調(diào)與結(jié)構(gòu) 尺寸合理適中，注重各級臺階放水孔平臺的寬度與長度、高度與高差、結(jié)構(gòu)厚度，以

16、及平臺 頂面距兩側(cè)向水平型放水孔中心的高度等設(shè)計取值，主要根據(jù)放水孔水力學(xué)計算成果與孔徑 大小、各級平臺運行管理與維護(hù)檢修要求，以及管身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要等因素分析確定，并全面 優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。圖4臥管管身典型內(nèi)斷面在管身放水孔布置及其體型設(shè)計時，應(yīng)通過調(diào)整孔口位置及高程，使孔口盡可能處于有 壓進(jìn)流工況運行，同時為保證水流跌入后躍起水柱不致淹沒孔口，管身凈高通常采用水深的 3.04.0倍，以盡可能增大進(jìn)流量。管身典型內(nèi)斷面見圖4，管身應(yīng)分段設(shè)置環(huán)向結(jié)構(gòu)縫，砌石結(jié)構(gòu)縫間距5.0m，混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)縫間距 10.0m，縫內(nèi)布設(shè)止水帶。管身分縫處底部兩側(cè)，設(shè)置抗滑齒墻，以增加整體穩(wěn)定性。5、工程案例西

17、北地區(qū)某小型水庫是以城鎮(zhèn)居民生活與農(nóng)田灌溉用水，以及抗旱應(yīng)急等為主要任務(wù)的 綜合水源工程，設(shè)計正常蓄水位1208.5m，死水位1204.0m，設(shè)計洪水位1209.6m，校核洪 水位1210.9m，滯洪庫容154.0萬m3，總庫容389.0萬m3，采用分級臥管式分層放水建筑 物技術(shù)方案引取水，設(shè)計放水流量最大3.0 m3/s，最小2.0 m3/s。放水孔孔口擬定0.5x0.5m （方案一）與0.6x0.6m （方案二）兩種矩型斷面尺寸方案，采 用上述臥管水力計算與分析方法進(jìn)行比選。通過計算分析，其單放水孔放流量Q與水頭H相 互關(guān)系曲線見圖5。由此可知，孔口尺寸增加0.1m對放流量加大明顯，因此，

18、放水孔選定 0.6x0.6m斷面尺寸方案。圖5不同孔口尺寸QH關(guān)系曲線根據(jù)水庫工程特性及其設(shè)計放水流量，通過水力學(xué)計算與分析，設(shè)計采用單條低配筋率 現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)臥管，以及臺階平臺兩側(cè)水平型放水2孔技術(shù)方案。設(shè)計臺階平臺高差0.5m， 長1.0m、寬1.3m，放水孔孔口上緣距平臺頂面1.0m，放流量最大3.02 m3/s，最小2.09 m3/s，滿足要求，最多有4個放水孔同時運行。設(shè)計臥管管身內(nèi)斷面凈寬0.7m、凈高1.5m， 消能室凈寬2.0m、深1.1m、長3.7m。庫水位由校核洪水位及設(shè)計洪水位宣泄消落至正常蓄 水位，時間分別為171.2h （約1周）與75.8h （約3d），滿足工程技術(shù)要求。6、結(jié)語分級臥管式分層放水結(jié)構(gòu)為小型水庫放水、引取水及泄水建筑物的型式之一，是新建、 除險加固及改擴(kuò)建小型水庫的重要工程技術(shù)措施與設(shè)計方案。分級臥管式分層放水建筑物設(shè) 計無相應(yīng)技術(shù)規(guī)程與規(guī)范可依據(jù)，臥管受水庫庫水位升降及多級分層進(jìn)水影響，水力及運行 工況復(fù)雜，針對工程實踐中分級臥管式分層放水建筑物相關(guān)水力及其結(jié)構(gòu)技術(shù)特性的分析探 索，對臥