小塔山水庫輸水管道穿河道泄水影響分析

孫云翰，徐 靜，蘇 凱，楊慶慶，蘇葉平

(1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007；3.江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002)

1 工程背景

小塔山水庫位于江蘇省贛榆區(qū)西北部，坐落在青口河上游，是贛榆區(qū)重要的防洪、供水工程。水庫集水面積386km2，庫區(qū)面積約26.5km2，總庫容2.8×108m3，是一座以防洪為主，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)工業(yè)生活供水和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的大(2)型水庫。

本工程主要任務(wù)是通過對(duì)主壩涵洞下洞首及出水口進(jìn)行改造，將贛榆區(qū)生活用水取水口位置由原環(huán)嶺節(jié)制閘處上移至塔山水庫主涵洞，改明渠輸水為管道封閉輸水。

2 工程概況

新建輸水管道采用2根DN1600球墨鑄鐵管，并排布置，管道中心距3.0m，敷設(shè)于河底，經(jīng)管線長(zhǎng)度680m后，穿堤接入塔山干渠西南岸檢查井，輸水管道線路總長(zhǎng)約900m?？傮w線路布置如圖1所示。

圖1 莒城湖水廠取水口新建工程線路布置示意圖

管道縱向布置，主壩涵洞壓力箱處管道中心高程24.20m，經(jīng)i=0.415坡度使管底落于河底基巖面層，至土基段，經(jīng)i=0.0262坡度埋入河底1.50m以下，后按i=0.0010接入檢查井，檢查井處管道中心高程約為17.70m。管道平面布置，管道基本沿塔山干渠河道中心線布置，河道轉(zhuǎn)彎處通過3道11.25°彎頭過渡，至檢查井上游40m處通過45°彎頭由河底轉(zhuǎn)向至河道西南岸方向，彎頭處設(shè)置鎮(zhèn)墩。CS02、CS05管道布置典型斷面如圖2—3所示。

3 泄水影響評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算工況

塔總干渠現(xiàn)狀為灌溉與飲用供水共用河道，灌溉期時(shí)流量最大，為25m3/s。取水口改造后，干渠不參與行洪，飲用水經(jīng)過管道輸送，干渠內(nèi)正常無水，灌溉期流量仍按25m3/s考慮。

3.2 流態(tài)計(jì)算

3.2.1 計(jì)算概況

該河道灌溉涵洞出口流量為25m3/s，為研究該河道灌溉涵洞出口水流在河道流動(dòng)狀況，須對(duì)該河道水流流動(dòng)進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算分析。根據(jù)該工程河道布置情況，對(duì)河道邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)化，按照地形圖河道走勢(shì)以1∶1比例建立該河道區(qū)域水流三維數(shù)值模型。

圖2 CS02斷面管道布置圖

圖3 CS05斷面管道布置圖

3.2.2 控制方程

控制方程采用三維雷諾時(shí)均N-S方程來水流不可壓縮湍流流動(dòng)，方程式如下:

(1)

雷諾時(shí)均N-S方程：

(2)

3.2.3 平面流態(tài)、流速分布

該河道平面流態(tài)、流速分布詳如圖4—9所示(選取CS1～CS3斷面進(jìn)行分析)。

圖4 流態(tài)分布云圖

圖5 局部流態(tài)分布云圖

圖6 局部流態(tài)分布云圖

圖4—6計(jì)算結(jié)果表明，小塔山水庫灌溉涵洞出口水流在斷面CS1～CS3區(qū)域形成大尺度回流，水流主流沿河道右側(cè)邊坡流動(dòng)。

圖7 流速分布云圖

圖8 局部流速分布云圖

圖9 局部流速分布云圖

圖7—9計(jì)算結(jié)果表明，小塔山水庫灌溉涵洞出口水流在斷面CS1～CS3區(qū)域大尺度回流流速基本在0.1～0.4m/s；水流主流流速在1.3～1.6m/s，其中1.6m/s的流速分布范圍很小。

3.2.4 斷面流速分布

斷面CS1～CS6流速分布詳見圖10—15。

圖10 CS1斷面流速分布云圖

圖11 CS2斷面流速分布云圖

圖12 CS3斷面流速分布云圖

圖13 CS4斷面流速分布云圖

圖14 CS5斷面流速分布云圖

計(jì)算結(jié)果表明，出口水流在CS1～CS4斷面，由于水流回流等不良流態(tài)存在，CS1～CS4斷面流速在0.1～1.3m/s之間，流速分布不均勻。水流在斷面CS5～CS12開始均勻擴(kuò)散，流速降低，水流較為均勻。

3.3 壅水分析

根據(jù)河道測(cè)量斷面和地址勘探成果，涵洞出水口下游大約200m范圍內(nèi)巖基高程較高，管道施工難以采用直埋的方式，故管道敷設(shè)于巖基上，采用素混凝土包裹，以滿足埋置深度要求。為不影響灌溉出水，在灌溉涵洞出水口側(cè)下游左側(cè)河道采用8%水泥土回填至現(xiàn)狀地面高程，另外一側(cè)采用15cm厚C25素混凝土護(hù)底。CS04斷面以下均采用直接開挖埋管的形式施工。

涵洞出水口下游約200m范圍內(nèi)工程的建設(shè)占據(jù)了部分河道斷面，灌溉時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻水影響，河道水力條件將會(huì)產(chǎn)生一定的變化，局部斷面過水面積將會(huì)減少，造成水面線抬高。

水面線計(jì)算如下。

3.3.1 基本計(jì)算公式

(3)

3.3.2 動(dòng)能修正系數(shù)α的選定

給定每個(gè)斷面的動(dòng)能修正系數(shù)α

3.3.3 沿程水頭損失計(jì)算

沿程水頭損失hf=(J1+J2)/2×ΔL

(4)

(5)

(6)

式中，ΔL—分段長(zhǎng)；(J1+J2)/2—分段的平均水力坡度。

3.3.4 擴(kuò)散或收縮段局部水頭損失的計(jì)算

hj=ξ擴(kuò)散×(v12-v22)/2g

(7)

式中，ξ擴(kuò)散—擴(kuò)散或收縮段局部水頭損失的計(jì)算系數(shù)。

3.3.5 橋墩或建筑物的局部水頭損失的計(jì)算

hj=ξ建筑×v12/2g

(8)

式中，ξ建筑—橋墩或建筑物的局部水頭損失的計(jì)算系數(shù)。

3.3.6 彎道的局部水頭損失的計(jì)算

將彎道轉(zhuǎn)化為直道，轉(zhuǎn)化后長(zhǎng)度和斷面不變，只采用等價(jià)的糙率nr即可。

nr=n×[1+3/4×(b/r)0.5]0.5

(9)

式中，b—河寬;r—河道轉(zhuǎn)彎半徑。

3.3.7 河道糙率參數(shù)

平原河流清潔、順直、無沙灘和深潭，糙率取正常值0.030；水深較淺、平面上回流區(qū)較多，糙率取正常值0.048。

經(jīng)分析計(jì)算，原河道、新建河道水面線示意圖見圖16—17。當(dāng)灌溉涵洞25m3/s進(jìn)入施工完建后的河道時(shí)，水面線計(jì)算結(jié)果表明，最大雍水發(fā)生在CS01斷面，新建CS01斷面比原CS01斷面雍水高為0.066m。主壩涵洞下游200m范圍內(nèi)，塔總干渠兩側(cè)堤頂高程均在30.0m以上，高于“抬高后水位+安全超高+波浪爬高”，故現(xiàn)狀堤頂高程滿足完工后灌溉期水位抬高的擋洪要求。

3.4 沖刷計(jì)算

涵洞出水口下游大約200m范圍內(nèi)巖基高程較高，管道施工難以采用直埋的方式，故管道敷設(shè)于巖基上，采用素混凝土包裹，以滿足埋置深度要求，其余位置管道均直埋于河底，最小埋置深度為1.5m，施工結(jié)束后恢復(fù)現(xiàn)狀河床地貌。

根據(jù)工程規(guī)劃，工程建成后，飲用水不再通過塔總干渠輸送，非灌溉期塔總干渠為干涸河道；灌溉期時(shí)，灌溉流量為25m3/s，水深約1.5m。本次管道基本埋設(shè)于塔總干渠渠底，基本不影響塔總干渠過水?dāng)嗝妫静粫?huì)由于工程的實(shí)施引起渠道沖刷。

根據(jù)水流計(jì)算結(jié)果，涵洞下游出口段渠道內(nèi)水流流態(tài)、流速受地形、地貌影響，斷面流速分部不均，存在一定回流，主流流速在1.3～1.6m/s，根據(jù)地質(zhì)資料，該段河底除20～30cm后淤泥外河床為④層全風(fēng)化片麻巖河床，工程力學(xué)好，抗沖刷性能強(qiáng)。涵洞下游出口約400m以后水流開始均勻擴(kuò)散，流速降低，水流較為均勻，水流流速基本在0.5～0.8m/s。該范圍內(nèi)河底出去淤泥層外河床位于②層黏土，根據(jù)地勘報(bào)告，凝聚力C=51.3kPa=0.513kg/cm2，考慮C的離散性，設(shè)計(jì)取C0=C/3=0.171kg/cm2，河床不沖流速按列維公式計(jì)算：

圖16 原河道水面線示意圖(x方向1∶2000，y方向1∶200，單位：cm)

圖17 新建河道水面線示意圖(x方向1∶2000，y方向1∶200，單位：cm)

(10)

按式(10)計(jì)算得該段河床不沖流速為1.18m/s，滿足抗沖要求。

4 結(jié)語

(1)水流存在不良流態(tài)，流速分布不均勻，往后開始均勻擴(kuò)散，流速降低，水流較為均勻。

(2)通過水面線計(jì)算，現(xiàn)狀堤頂高程滿足完工后灌溉期水位抬高的擋洪要求。

(3)工程的實(shí)施不會(huì)引起渠道沖刷。

(4)本工程對(duì)小塔山水庫防洪運(yùn)行無影響，對(duì)塔山干渠河勢(shì)穩(wěn)定無影響。

(5)鑒于取水口及管道安全與下游城區(qū)人們飲用水安全密切相關(guān)，工程建成后建議定期對(duì)閥門及管道附件的檢查維護(hù)，對(duì)管線進(jìn)行維護(hù)。