水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管的應(yīng)用研究

李文龍

(山東臨沂水利工程總公司，山東 臨沂 276000)

0 引 言

在以往針對(duì)水庫除險(xiǎn)加固的研究中,主要采用虹吸放水管加固水庫,但此種方法在應(yīng)用中存在加固平均流速低的問題。為此,本文研究水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管的應(yīng)用,致力于通過鋼圍堰導(dǎo)流管提高水庫除險(xiǎn)加固平均流速。

1 劃分鋼圍堰導(dǎo)流管管徑在水庫除險(xiǎn)加固中適用范圍

在水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管的應(yīng)用研究中,必須預(yù)先掌握不同鋼圍堰導(dǎo)流管管徑在水庫除險(xiǎn)加固中適用范圍,確保鋼圍堰導(dǎo)流管管徑在水庫除險(xiǎn)加固中應(yīng)用的可行性[1]。本文采用計(jì)算鋼圍堰導(dǎo)流管水力的方式,選擇與水庫除險(xiǎn)最大洪水流量相匹配的鋼圍堰導(dǎo)流管管徑。設(shè)鋼圍堰導(dǎo)流管水力的計(jì)算表達(dá)式為Q,可得公式(1)。

(1)

式中：μ為水力流量系數(shù);c為鋼圍堰導(dǎo)流管水力流量損失系數(shù),通常情況下取值為0.55;A為鋼圍堰導(dǎo)流管橫截面面積;g為鋼圍堰導(dǎo)流管自由出流下的管道水頭;h為鋼圍堰導(dǎo)流管淹沒出流下的管道水頭。通過公式(1),計(jì)算得出鋼圍堰導(dǎo)流管水力,以此劃分鋼圍堰導(dǎo)流管管徑在水庫除險(xiǎn)加固中的適用范圍,見表1。

結(jié)合表1所示,選擇適用的鋼圍堰導(dǎo)流管加固水庫除險(xiǎn)。設(shè)計(jì)的基于鋼圍堰導(dǎo)流管的水庫除險(xiǎn)加固方法具體內(nèi)容,如下文所述。

2 基于鋼圍堰導(dǎo)流管的水庫除險(xiǎn)加固方法

在通過計(jì)算得出鋼圍堰導(dǎo)流管水力,明確鋼圍堰導(dǎo)流管管徑在水庫除險(xiǎn)加固中適用范圍的基礎(chǔ)上,基于鋼圍堰導(dǎo)流管設(shè)計(jì)水庫除險(xiǎn)加固方法。基于鋼圍堰導(dǎo)流管的水庫除險(xiǎn)加固流程圖,如圖1所示。

圖1 基于鋼圍堰導(dǎo)流管的水庫除險(xiǎn)加固流程圖

結(jié)合圖1所示,本文針對(duì)圖中5步主要流程加以詳細(xì)研究,具體如下。

2.1 確定鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中安裝位置

在應(yīng)用鋼圍堰導(dǎo)流管加固水庫除險(xiǎn)過程中,必須確定鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中安裝位置。因鋼圍堰導(dǎo)流管對(duì)架體的側(cè)壓力大,為增加架體的整體穩(wěn)定性,將鋼圍堰導(dǎo)流管與水庫溢洪道位置兩側(cè)結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行剛性連接[2]。為達(dá)到加固效果,鋼圍堰導(dǎo)流管在安裝過程中采用雙層木膠合板,上下層面板用鐵釘固定,保證其安裝位置適用于水庫除險(xiǎn)的具體情況。通過安裝鋼圍堰導(dǎo)流管提高水庫除險(xiǎn)加固的抗側(cè)剛度,還可以結(jié)合剛度較大的外套筒擬制中心直接與支撐進(jìn)行連接。

2.2 計(jì)算水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管導(dǎo)流能力

確定鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中安裝位置的基礎(chǔ)上,計(jì)算水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管導(dǎo)流能力。鋼圍堰導(dǎo)流管導(dǎo)流能力作為水庫除險(xiǎn)加固中最關(guān)鍵的核心指標(biāo),能夠直接決定水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管的應(yīng)用效果。本文考慮到鋼圍堰導(dǎo)流管在不同狀態(tài)下的導(dǎo)流能力,分別為:自由出流、過度出流以及淹沒出流。設(shè)水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管導(dǎo)流能力的表達(dá)式為N,可得公式(2)。

(2)

式中:m為鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中自由出流的流量系數(shù);p為水庫圍堰上游水深;B為水庫圍堰的寬度;δ為鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中過度出流的流量系數(shù);φ為鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中淹沒出流的流量系數(shù)。通過公式(2),計(jì)算得出水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管導(dǎo)流能力。以此為判據(jù),為下文設(shè)定鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中進(jìn)、出口高程提供理論依據(jù)。

2.3 設(shè)定鋼圍堰導(dǎo)流管的進(jìn)、出口高程

根據(jù)計(jì)算得出的水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管導(dǎo)流能力,合理設(shè)定鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中進(jìn)、出口高程。在設(shè)定過程中,必須保證鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中的水口底部完全淹沒在死水位下,保證鋼圍堰導(dǎo)流管的潛水進(jìn)口裝置處于密封狀態(tài),不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)水的現(xiàn)象。為保證鋼圍堰導(dǎo)流管與地庫能夠保持一定的安全距離,還需要預(yù)留出1 m的安全距離。設(shè)定鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中進(jìn)、出口高程最核心的目的就是保證鋼圍堰導(dǎo)流管在加固過程中能夠正常導(dǎo)流供水,尤其是在直角、轉(zhuǎn)彎處不出現(xiàn)擁塞,進(jìn)而加快鋼圍堰導(dǎo)流管加固后水庫斷面平均流速,達(dá)到水庫除險(xiǎn)加固的目的。

2.4 復(fù)核鋼圍堰導(dǎo)流管的高程真空度

在完成鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中進(jìn)、出口高程設(shè)定后,還需要進(jìn)一步復(fù)核鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中高程真空度,保證鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中的安全性,不出現(xiàn)氣體液化的現(xiàn)象[3]。結(jié)合以往研究表明,鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中高程真空度與行進(jìn)流速有關(guān),基于此可將鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中水頭損失代入能量方程,判斷其高程真空度。設(shè)此過程的目標(biāo)函數(shù)為v,則有公式(3)。

(3)

式中:λ為水庫除險(xiǎn)加固中死水位自由面高程;l為水庫除險(xiǎn)加固中死水位至鋼圍堰導(dǎo)流管的高度差;d為鋼圍堰導(dǎo)流管管頂軸線長度。通過公式(3),得出鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中高程真空度,確保v的取值在5～8,滿足鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中高程真空度的復(fù)核條件。

2.5 實(shí)現(xiàn)基于鋼圍堰導(dǎo)流管的水庫除險(xiǎn)加固

在鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中高程真空度通過復(fù)核后,考慮到鋼圍堰導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)的梁板為普通截面,總體屬于高度超高但荷載不大的高支模施工。因鋼圍堰導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)在安裝過程中對(duì)水庫架體的側(cè)壓力大,為增加水庫除險(xiǎn)加固架體的整體穩(wěn)定性,將水庫除險(xiǎn)加固架體與鋼圍堰導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)兩側(cè)結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行剛性連接?；阡搰邔?dǎo)流管的水庫除險(xiǎn)加固平面圖,如圖2所示。

圖2 基于鋼圍堰導(dǎo)流管的水庫除險(xiǎn)加固平面圖

結(jié)合圖2所示,為基于鋼圍堰導(dǎo)流管的水庫除險(xiǎn)加固平面圖。通過圖2可知,鋼圍堰導(dǎo)流管采用環(huán)抱形式與架體連為一個(gè)整體。針對(duì)水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管的應(yīng)用特點(diǎn)與難點(diǎn),最終確定選用鍍鋅管作為管材,并配備離心泵,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管導(dǎo)流量,增加水庫除險(xiǎn)加固架體的整體穩(wěn)定性。至此,完成基于鋼圍堰導(dǎo)流管的水庫除險(xiǎn)加固,實(shí)現(xiàn)水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管的應(yīng)用研究。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為構(gòu)建實(shí)例分析,實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取某水庫,工程內(nèi)容為水庫除險(xiǎn)加固。水庫除險(xiǎn)加固施工項(xiàng)目及要求,見表2。

表2 水庫除險(xiǎn)加固施工項(xiàng)目及要求

結(jié)合表2所示,本次實(shí)例分析選取的對(duì)比指標(biāo)為水庫除險(xiǎn)加固斷面平均流速,加固斷面平均流速越高代表此方法下的水庫除險(xiǎn)效果越好。首先,使用本文設(shè)計(jì)方法基于鋼圍堰導(dǎo)流管進(jìn)行水庫除險(xiǎn)加固,通過核查工具Qacenter測得其加固斷面平均流速,設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組。再使用傳統(tǒng)方法基于鋼圍堰導(dǎo)流管進(jìn)行水庫除險(xiǎn)加固,同樣通過核查工具Qacenter測得其加固斷面平均流速,設(shè)置為對(duì)照組。為避免偶然現(xiàn)象的出現(xiàn),在此次的實(shí)例分析中,共進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)。針對(duì)核查工具QAcenter測得的加固斷面平均流速,記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟,采集10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將兩種方法下的加固斷面平均流速進(jìn)行對(duì)比,加固斷面平均流速結(jié)果見表3。

表3 加固斷面平均流速對(duì)比

通過表3可得出如下的結(jié)論:本文設(shè)計(jì)的加固方法水庫斷面平均流速明顯高于對(duì)照組,可以實(shí)現(xiàn)水庫除險(xiǎn)加固,具有現(xiàn)實(shí)推廣價(jià)值。

4 結(jié)束語

通過水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管的應(yīng)用研究,能夠取得一定的研究成果,解決傳統(tǒng)水庫除險(xiǎn)加固中存在的問題。由此可見,本文設(shè)計(jì)的方法是具有現(xiàn)實(shí)意義的,能夠指導(dǎo)水庫除險(xiǎn)加固方法優(yōu)化。在后期的發(fā)展中,應(yīng)加大鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用力度。截至目前,國內(nèi)外針對(duì)水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管的應(yīng)用研究仍存在一些問題,在日后的研究中還需要進(jìn)一步對(duì)鋼圍堰導(dǎo)流管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究,為提高鋼圍堰導(dǎo)流管的綜合性能提供參考。本文存在的不足主要在于,沒有針對(duì)水庫除險(xiǎn)加固中鋼圍堰導(dǎo)流管應(yīng)用的注意事項(xiàng)進(jìn)行深入研究,在之后的研究中可以適當(dāng)補(bǔ)足,進(jìn)而促進(jìn)鋼圍堰導(dǎo)流管在水庫除險(xiǎn)加固中更好地應(yīng)用發(fā)展。