分級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

分級臥管式分層放水建筑物是二十世紀(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)死水位到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欤夹g(shù)要求較低，施工簡便快捷，放水運(yùn)行管理簡易等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，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)與檢修較為困難等問題。

一、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），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。水庫放水或泄水時(shí)，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

二、臥管水力計(jì)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(yùn)行工況復(fù)雜，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)于管身各級臺階平臺面，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(diǎn)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(gè)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(jì)算。

1.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)。

2.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。

3.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。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。

（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放水孔聯(lián)合運(yùn)行時(shí)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(jì)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]。

表1 臥管底坡坡度對應(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)水流量相對較小；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(shí)，采用單條臥管及垂直型放水單孔；放水流量較大時(shí)，可布置2～3條臥管，并采用水平型放水孔或兩種放水孔組合型式2～3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(shí)需通過工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較確定。

臥管管身布置坡比一般按1/2.0～1/4.0，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0.3～0.6m，放水孔沿管身縱向垂向中心距為0.3～0.8m，孔徑為0.2～0.6m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(yùn)行管理與維護(hù)檢修。

（二）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(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

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(jì)取值，主要根據(jù)放水孔水力學(xué)計(jì)算成果與孔徑大小、各級平臺運(yùn)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(jì)參數(shù)。

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。管身分縫處底部兩側(cè)，設(shè)置抗滑齒墻，以增加整體穩(wěn)定性。

四、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(xiǎn)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(jì)方案。分級臥管式分層放水建筑物設(shè)計(jì)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(yùn)行工況復(fù)雜，針對工程實(shí)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，對臥管管身的關(guān)鍵部分放水孔、內(nèi)斷面及消能室尺寸確定提出相應(yīng)的水力計(jì)算方法，同時(shí)提出建筑物及其結(jié)構(gòu)布置與體型設(shè)計(jì)需注重考慮的主要因素，并列舉工程實(shí)際案例分析，可為相應(yīng)工程設(shè)計(jì)參考借鑒。臥管水力特性數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證、放水流量的準(zhǔn)確度控制與提升，以及運(yùn)行與管理自動化監(jiān)控等問題，仍有待進(jìn)一步分析研究。