庫塘臥管設施技改的研究與實踐

劉愛國 帥澤金 胡世元 傅勛德 黃岳榮

（漢壽縣水利局 常德市 415900） （漢壽縣恒興機械有限公司 常德市 415906）

漢壽縣地處湖南省沅、澧水尾閭，洞庭湖西濱，總面積2034km2。地勢南高北低，山湖各半。以南湖撇洪河為界，北部為湖平區(qū)，南部為丘陵山區(qū)。全縣現(xiàn)有30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)園，其中南部丘陵山區(qū)占17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)園。

南部丘陵山區(qū)土地相對貧瘠，由于年內(nèi)降雨時空分布不均，水資源可持續(xù)利用率低，通過供需水量平衡計算，全區(qū)尚缺水 （P=75%）2510.57萬m3，一遇大旱 （P= 95%）缺水6463.55萬m3，對小型水利設施非常依賴。本縣的治水難點在湖平區(qū)，20世紀在治水上對南部丘陵山區(qū)農(nóng)民實行“一平二調”，支援湖平區(qū)水利建設。因此，南部丘陵山區(qū)的水利基礎設施相對湖平區(qū)較差。從20世紀50年代起，南部丘陵山區(qū)共建成中小型水庫209座，其中中型水庫3座，?。á瘢┬退畮?8座，小（Ⅰ）型水庫188座，山塘6596口，河溪壩320處。蓄水總庫容1.6億m3。受益灌溉面積2.18萬hm2（32.77萬畝）。這些水利設施分布在17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)園的每個村落，與人民群眾的生產(chǎn)、生活息息相關，特別是對促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和滿足農(nóng)田灌溉、人蓄飲水、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及防汛抗旱發(fā)揮著重要的作用。

但是，由于歷史原因以及后期生產(chǎn)管理方式變革等諸多因素，目前，這些水利設施普遍存在“先天不足”和“后天營養(yǎng)不良”，長期“帶病”運行，逐步喪失其功能。特別是取水臥管存在著“放水不出、蓄水不了、管理不住、危及安全”的問題尤為突出。本文通過近幾年國家對丘陵山區(qū)特別是水庫除險加固投資政策的傾斜，在水庫除險加固改造中,針對取水臥管存在的問題進行了認真研究、規(guī)劃、設計,并與相關廠家研制出一種安全實用新型鑄鐵拍門應用在中小型水庫臥管山塘中，取得了成功的經(jīng)驗，有效地解決了取水臥管存在的問題。

1 臥管的歷史狀況

漢壽縣的水庫、山塘大多修建于20世紀50～70年代，當時的設計、技術、器材、施工工藝都很落后。水庫、山塘的放水設施由橫穿大壩下的放水涵洞與放水臥管組合而成，放水臥管上的放水孔蓋常用草塞、木塞、木板（混凝土板）蓋加黃泥、石（混凝土）塞。放水臥管問題較多。

（1）淤塞嚴重，放水不出。

當時物質匱乏，絕大部份特別是?。á瘼瘢┬退畮斓暮?、臥管幾乎全部是石碑、瓦管、青磚三合土砌成或無筋（竹筋）混凝土用竹籠代內(nèi)模（不拆模）澆筑而成，方圓不一，管內(nèi)壁極為粗糙，管口又無攔污柵，管內(nèi)淤泥雜草嚴重堵塞無法疏通導致涵、臥管放水不出，有些庫塘一到汛期或大旱之年不得不掘堤泄洪和灌溉。

（2）漏水嚴重，蓄水不了。

由于臥管放水孔施工工藝差，“塞”十分簡陋、原始，孔口常年漏水，水庫、山塘不能正常蓄水，且蓄水白白流失，蓄水不了。

（3）水權分散，管不住。

在集體農(nóng)作方式時期，中小型水庫水權集中在鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利管理站所，河壩、山塘水權集中在村級，有專門的管水員實施開閉、管理、維護。后隨著生產(chǎn)責任制的改變，水權相對分散，非管水員隨便私自開閘放水，加之放水“塞”易損、易丟、易盜，有些地方灌溉季節(jié)為爭水權而損壞放水設施或私藏、丟失放水“塞”的事時有發(fā)生，特別是突降暴雨無人及時關閉庫塘水上漲導致放水“塞”無法關閉，造成庫塘水大量流失，管理不住。

（4）三邊工程，危及安全。

過去，山丘區(qū)水利工程絕大部分屬“三邊”（邊規(guī)劃、邊設計、邊施工）工程，土法上馬、因地制宜、因陋就簡，自行設計。有些工程因臥管孔口之間的級差、孔口尺寸過大，加上有些臥管未設通氣孔（靠孔口“塞”關閉不嚴通氣）。從而導致作用在孔口上的壓力很大，造成孔口不能打開或開后人體被孔吸住而危及人身安全。20世紀80年代喉龍管小（Ⅰ）型水庫曾發(fā)生過管水員開啟臥管孔口而被吸進臥、涵管淹死的事故。加之進口臺階長期浸在水里，上面淤泥腐葉或長滿綠苔，表面很滑，管水員開閘放水常滑下庫塘，危及安全。

2 臥管的重點改造

2.1 臥管“塞”的研發(fā)

根據(jù)現(xiàn)場多次調研，臥管放水孔徑一般直徑為（100～250）mm，若農(nóng)田灌溉流量大或輔助泄洪的庫塘，每臺設兩個放水孔或設兩條臥管共用一條涵管，按三級人力打開。我們與漢壽縣恒興機械有限公司共同研發(fā)出適合中小型水庫、山塘、河壩、灌區(qū)安全實用新型鑄鐵拍門（放水塞），定型為PM100、PM150、PM200、PM250四種。在人力安全打開的前提下，完全能滿足農(nóng)田灌溉流量大或輔助泄洪的庫塘。

2.1.1 拍門結構及原理

該拍門由混凝土預埋短管（與拍門座環(huán)聯(lián)體）、拍門座環(huán)、止水橡膠圈、門絞、門頁（門頁中心線上設有開閉扣體）、開閉操作桿組成。

其工作原理：開閉操作桿設計為一頭帶開閉圈、鉤和另一頭帶手握圈。打開時，管水員手持開閉操作桿順臥管上標的開閉拍門中心紅線用開閉圈、鉤的圈扣住拍門門頁上的扣體用力拉開即可（平水出流）；關閉時，用開閉圈、鉤的鉤作用在拍門門頁上的扣體用力推抬即可關閉。

2.1.2 拍門安裝及特點

將拍門預埋短管套入組裝的用PVC塑料管做臥管內(nèi)模進口支管上與臥管臺面一次澆筑而成，也可二期澆筑。注意拍門中心線的開閉扣體一定要與臥管進口中心線或標志線一致，并校核水平，已便定位開閉。

其特點：結構簡單、易安裝、造價低、防損、防丟、防盜、止水、不用人力操作，安全簡便，無需經(jīng)常維護，便于管理，滿足放水需求。

2.2 臥管定型設計

為了便于臥管的統(tǒng)一技改，我們對臥管進行了定型設計。

2.2.1 臥管的水力計算

（1）臥管放水孔直徑確定。

由于庫塘都設有溢洪道或復式溢洪道 （即在溢洪道中設寬窄式道口安裝活動閘門或挑筑臨時土壩，干旱年關閘或筑壩蓄水，豐水年開閘或挖壩深度溢洪），臥管只參與輔助泄洪。因此，設計放水流量一般按灌溉所需流量考慮。臥管放水孔直徑按小孔出流公式計算，考慮人力操作，開啟的級數(shù)不能太多，級差不能太大。按同時開啟三孔計算，級差確定為0.4m。

其計算公式為：

式中 D——放水孔直徑（m）；

Q——設計放水流量（m3/s）；

H1、H2、H3——各級孔上水深（m）。

如果每臺設兩個放水孔，按上式計算時的Q值應取要求放水流量的1/2。然后根據(jù)理論計算的D值選取定型拍門尺寸和確定每臺級孔數(shù)。

（2）臥管斷面的確定。

臥管斷面設計與通過的流量，應考慮水位變化而導致的放水孔調節(jié)，比正常運用時加大20%～30%，按明渠均勻流公式計算其所需過水斷面。

式中 ω——臥管斷面面積（m2）；

Q加——通過臥管的流量（m3/s）；

i——臥管縱坡；

n——糙率，PVC管n=0.008～0.009；

d——臥管直徑（m）；

θ——弧度。

考慮到放水孔水流跌落臥管時的水柱躍起高度約為正常水深的2.5～3.5倍，為保持跌下水柱躍高不致淹沒放水孔出口，使臥管內(nèi)不形成壓力流，臥管高度應較正常水深加高3～4倍。

2.2.2 臥管的結構

臥管式進口是埋設在壩前山坡或堤壩上的漿砌石或混凝土放水管，下部通過消力池與壩下涵管或山體隧洞相接，上部高程按 《水土保持治溝骨干工程技術規(guī)范》（SL289-2003）應高出設計水位（0.5～1.0）m，取1.0m，與隱蔽防塞通氣孔相聯(lián)?？v坡設為1∶2～1∶3。臥管放水孔臺階一般與踏步設為一體。

在臥管的兩邊安裝防偷水滑動式防污攔魚柵軌道。

臥管底部每隔5m設一道抗滑齒墻，以增加底板的穩(wěn)定，齒墻間設伸縮縫，縫內(nèi)用柏油杉板或填二粘三油止水。

2.2.3 防偷水滑動式不銹鋼防污攔魚柵

早前的臥管放水孔從未設計安裝防污攔魚柵，放水孔口、臥管經(jīng)常被庫塘中的飄浮物堵塞，主要靠管水員定期清理或疏通，嚴重影響著農(nóng)田灌溉。

為了防止庫塘中的飄浮物堵塞放水孔口、臥管或防魚走失，我們首次創(chuàng)新在臥管上設計安裝了防偷水滑動式不銹鋼防污攔魚柵。其結構主要由防污攔魚柵、滑輪、上下纜繩、軌道、螺栓夾板式防偷水鎖定裝置組成。為防止放水孔口深水漩渦帶入飄浮物，防污攔魚柵長度按五級放水孔臥管長度設計，柵條設計成倒“U”字形，兩邊組裝滑輪與預埋臥管兩邊的軌道結合而上下滑動。

防偷水滑動式不銹鋼防污攔魚柵操作簡便，它可隨庫水漲落而滑動，上面設有鎖定裝置。開、閉拍門時，操作上下纜繩放下防污攔魚柵一定位置方可開閉。放水或不放水時拉上防污攔魚柵鎖定。開啟專用工具由管水員保管。這樣既可防飄浮物堵塞放水孔口、臥管和防魚走失又可防止其他人隨意開閉或偷水，使臥管得到了無人科學管理。

2.3 臥管施工新工藝

2.3.1 PVC塑料管代替內(nèi)模

目前，臥管施工采用三種方法：一是漿砌石與鋼筋混凝土結合，先用混凝土澆筑底板，然后兩邊采用M7.5水泥沙漿砌塊石，最后立項模澆筑鋼筋混凝土蓋板；二是素混凝土（竹筋混凝土），先用混凝土澆筑底板，再用“竹籠”代內(nèi)模，內(nèi)圓外方，立外模（或以土代模）一次澆筑；三是鋼筋混凝土，先用混凝土澆筑底板，再兩側立模（或內(nèi)立木模、外以土代模）澆筑，最后立項模澆筑蓋板。以上三種方法存在著施工進度慢（為拆除內(nèi)模，必須分段、分期施工，裝模、拆模工序多，難度大、花工多）；內(nèi)模拆除不干凈或無法拆除（如竹籠），內(nèi)壁糙率大，易堵塞，阻水嚴重；施工縫多，質量得不到保證，滲水漏水。

鑒于上述問題，在臥管施工中我們吸取 “竹籠不脫模”原理，采用了PVC塑料管代替木板內(nèi)模和“竹籠”內(nèi)模這一新工藝。

（1）施工具體操作方法。

根據(jù)計算出來的臥管內(nèi)徑和選擇的拍門內(nèi)徑尺寸，確定PVC塑料管不同的內(nèi)徑大小，選取PVC塑料管壁厚為（2～4）mm，再依據(jù)臺階級差現(xiàn)場加工組裝，特別是臥管與放水支管的組裝，因大小不同和坡比不一樣，要現(xiàn)場計算好管道切口才能進行下料粘合組裝 （這里建議最好將臥管設計成果和所選拍門內(nèi)徑尺寸提供給廠家訂制大小不同的分叉管或由廠家提供成品，這樣現(xiàn)場組裝即可）。把組裝好的PVC塑料管內(nèi)模固定在澆筑好的底板上，固定校正，再扎筋立外模，內(nèi)圓外方，最后一次澆筑成形。注意在澆筑混凝土時應左右兩邊同時澆筑，使PVC塑料管受力均勻不能走模。

（2）PVC塑料管代內(nèi)模其優(yōu)點。

一是施工工藝簡單，易于操作；二是一次性澆筑成形，節(jié)省工序、省工省事、節(jié)約資金，減少施工縫，與鋼筋混凝土結合強度高、性能好，確保工程質量；三是不需脫內(nèi)模，內(nèi)壁光滑、糙率小、流動阻力小、抗堵塞，輸水能力較漿砌石、鋼筋混凝土管提高40%～60%；四是維修費用低，使用壽命長，解決了漿砌石、鋼筋混凝土管因斷裂或局部開裂滲水漏水問題。

2.3.2 PVC塑料管隱蔽防塞通氣孔

臥管通氣孔常設在臥管的上部朝天而開，因而通氣孔常被流失泥土、磚渣碎石、樹葉雜草、人為等堵塞，影響通氣，為了解決這個問題，我們把它設計成PVC塑料管隱蔽防塞通氣孔，將通氣孔制作成“V”字形，一端與臥管內(nèi)代內(nèi)模的PVC塑料管聯(lián)接，另一端 （安裝有特制的PVC塑料管防污柵）與上部臥管踏步迎水側面聯(lián)接澆筑，光滑流暢，這樣既通氣又不易堵塞。

3 結 語

目前，實用新型鑄鐵拍門、防偷水滑動式不銹鋼防污攔魚柵、PVC塑料管代內(nèi)模、PVC塑料管隱蔽防塞通氣孔這一新設備、新材料、新工藝、新技術已在漢壽縣南部丘陵山區(qū)水庫臥管更新改造中安裝應用了多處，收到了很好的效果，深受水利部門和丘陵山區(qū)廣大農(nóng)民歡迎，稱之為“節(jié)水、和諧、安全”型臥管，是一項費省效宏的工程，在臥管改造中是一次革新，值得大力推廣。

1 饒杰.試論中小型水庫抗旱保灌的科學調度[J].湖南水利水電，2009（4）.

2 黃自勇.漢壽縣山丘區(qū)旱災成因及對策[J]，湖南水利水電，2010（4），73.

3 張然.臥管孔口流量的計算[J].農(nóng)田水利與小水電，1985（12）,24-27.

4 馮澤訓.放水建筑物設計(第七講)[J].中國水土保持，1987，（8）；59.

5 SL289-2003.水土保持治溝骨干工程技術規(guī)范[S].