分級(jí)臥管式放水建筑物水力計(jì)算及體型設(shè)計(jì)

■ 張 鐸，黨宏祖

（1.甘肅甘蘭水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；2.中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

分級(jí)臥管式分層放水建筑物是上世紀(jì)八十年代之前我國中小型，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(dòng)范圍垂直或水平開設(shè)多級(jí)臺(tái)階型系列進(jìn)水孔，可引取表層高溫水。

一、分級(jí)臥管式分層放水建筑物構(gòu)成及布置

小型水庫分級(jí)臥管式分層放水建筑物通常由傾斜式臥管、多級(jí)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），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1.0～2.0m，并依據(jù)壩內(nèi)埋管（涵洞）或兩岸放水隧洞洞底高程確定。

二、臥管水力計(jì)算及分析

通過相應(yīng)水力計(jì)算為其體型設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，水力計(jì)算內(nèi)容主要包括管身放水孔、內(nèi)斷面及消能室三部分。

（一）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(jí)臺(tái)階平臺(tái)面，放水流量?jī)H隨庫水位的升降而變化，水力工況相對(duì)較為簡(jiǎn)單；水平進(jìn)水型式孔口布設(shè)于管身各級(jí)臺(tái)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(duì)復(fù)雜。一是壓力進(jìn)流工況。當(dāng)放水孔被完全淹沒時(shí)，孔口處于壓力進(jìn)流工況，采用壓力孔流水力學(xué)公式計(jì)算其進(jìn)流量，計(jì)算式[1]如下：

式中：Q—孔口進(jìn)流量，m3/s；

μ— 流量系數(shù)；

A— 放水孔過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

H1— 放水孔孔口中心高程以上水頭，m；

σS— 淹沒系數(shù)。

二是無壓進(jìn)流工況。當(dāng)放水孔未被淹沒時(shí)，孔口處于無壓明流工況，采用寬頂堰水力學(xué)計(jì)算公式計(jì)算其進(jìn)流量，計(jì)算式[1]如下：

式中：Q— 孔口進(jìn)流量，m3/s；

σS— 淹沒系數(shù)；

σc— 側(cè)收縮系數(shù)；

m— 流量系數(shù)；

b— 放水孔孔寬，矩型斷面取凈寬，圓型斷面取孔口對(duì)應(yīng)庫水位的過水水面1/2寬度，m；

H2—放水孔孔底高程以上水頭，m。

三是單孔典型Q～H關(guān)系曲線。依據(jù)水力學(xué)計(jì)算成果，可得出單孔放水流量的變化過程。無壓進(jìn)流工況的放水流量相對(duì)于壓力進(jìn)流工況，有較大幅度的下降。

（二）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(jí)放水孔聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的最大總進(jìn)流量控制確定。管身水力糙率增大倍數(shù)隨坡比而變，可參考表1取值[2]。

表1 臥管底坡坡度對(duì)應(yīng)水力糙率增大倍數(shù)

臥管內(nèi)斷面尺寸采用明渠恒定均勻流水力學(xué)計(jì)算公式，按總放水（即設(shè)計(jì)）流量通過反復(fù)試算確定。水流經(jīng)放水孔孔口跌入管身內(nèi)，水柱躍起高度一般取正常水深的2.5～3.5倍。管身同一臺(tái)階布置多個(gè)進(jìn)水孔時(shí)，臥管總放水流量按孔數(shù)等量疊加。臥管放流量計(jì)算式如下：

式中：Q— 臥管總放水（即設(shè)計(jì)）流量，m3/s；

C— 謝才系數(shù)；

A— 管身過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

R— 水力半徑，m；

i — 管身坡比。

三、臥管布置及結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)

小型水庫分級(jí)臥管式分層放水建筑物中臥管結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)，應(yīng)注重考慮以下方面的主要因素。

（一）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，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(diǎn)，垂直型放水孔單臺(tái)階為單孔，增大放水流量時(shí)需加大管身結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)水流量相對(duì)較小；水平型放水孔單臺(tái)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(duì)較大對(duì)重要與規(guī)模較大的分級(jí)臥管式分層放水建筑物，必要時(shí)需通過工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較確定。[3]

（二）管身基礎(chǔ)

臥管段長(zhǎng)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上，軟基須采取換基等方式有效處理。

（三）管身結(jié)構(gòu)與斷面

在管身放水孔布置及其體型設(shè)計(jì)時(shí)，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(yùn)行，同時(shí)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3.0～4.0倍，以盡可能增大進(jìn)流量。管身典型內(nèi)斷面見圖2。

圖2 臥管管身典型內(nèi)斷面

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?jī)蓚?cè)，設(shè)置抗滑齒墻，以增加整體穩(wěn)定性。