山谷贮灰场排水井与排水管匹配选择分析

李春雨

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

贮灰场是火力发电厂的重要组成部分，其设计合理与否直接影响工程造价、机组安全运行及所在地的环境保护等。七台河发电厂的贮灰场位于七台河市新市区正南，电厂的西南方向，距离电厂约16 km 的左家沟“U”形狭长山谷。灰场沟谷较开阔平坦，沟谷长约5km，纵向坡度1%～2%，沟口坝址处最低点自然地面高程为216.00m，两侧分水岭高程在400.00m 以上，相对高差近200m，库区容量很大。当筑坝达到280.00 m 高程时，其库容可达7 400×104m3。贮灰场流域面积大，洪水量大，贮灰场排水系统由排水竖井和排水管道组成的井管式排水系统，兼做贮灰场排洪系统，其设计及排水井与排水管的匹配十分重要。

1 贮灰场的水文条件

贮灰场水文条件包括贮灰场流域地形、各频率设计暴雨洪水、洪水过程等。贮灰场流域地形参数为流域面积32.3km2、河长9.85km、比降12.8‰，各频率设计暴雨洪水结果见表1；贮灰场的洪水过程曲线见图1。

灰场坝体按一级标准设计洪水频率为1.0%，校核洪水频率为0.2%。灰场排洪与排水系统采用井管式排水系统。设计坝高260.00m，贮灰限制标高为256.70m。

表1 设计贮灰场各频率暴雨洪水数据

图1 贮灰场的洪水过程曲线

2 贮灰场内水位与排水系统泄流量的关系

贮灰场内水位较低时，排水井中的水位亦较低，排水井上为薄壁堰自由溢流，而排水管中为明渠流。当贮灰场内水位较高时，排水井中的水位亦较高，从薄壁堰上下泄的水舌被排水井中的水体淹没，这时的薄壁堰为淹没溢流，而排水管中为有压管流。排水井上由薄壁堰自由溢流向淹没溢流过渡时的孔流时间短暂。排水竖井进流量按照薄壁堰自由溢流的界限流量计算［1］，见式（1）、（2）、（3）。

式中：QY为流量；m为流量系数；H为作用水头；LY为溢流堰长度。

式中：δ为堰顶宽度；HY为溢流堰泄流水头。排水管的泄流量Q按式（4）计算［1］。

式中：A为排水管过水断面；μ为系数。

式中：λ为沿程水头损失系数；L为排水管长度；d为排水管管径；ζ为局部水头损失系数。

复核现有排水系统：排水井内径为3m，排水管直径为1.8m。经计算得出以下流量［2］关系式（6）、（7）。

3 贮灰场排水系统排水能力复核

该灰场坝体设计的等级按一级［3］设计，洪水频率Ps＝1.0%，校核洪水频率Pj＝0.2%。灰场排洪与排水系统结合，采用井管式排水系统，选定排水井直径为3 000mm，排水管直径为1 800mm。

a.设计洪水频率Ps＝1.0%工况，贮灰场内水位与排水系统泄流量的关系计算结果见表2。

表2 Ps＝1.0%工况贮灰场内水位与排水系统泄流量的关系

b.校核洪水频率Pj＝0.2%工况，贮灰场内水位与排水系统泄流量关系计算结果见表3。

从以上计算结果可以看出：对于设计洪水频率Ps＝1.0%工况，在洪水历时时段内，排水系统可以排泄掉105.21×104m3，接近1/3洪水量。灰场内最大洪水位为257.89m，可以调解洪水深度约330 mm。对于校核洪水频率Pj＝0.2%工况，在洪水历时时段内，排水系统可以排泄掉114.99×104m3，接近1/4的洪水量。灰场内最大洪水位为258.52m，可以调解洪水深度约500mm。

计算结果表明：灰场内的水位高度对下泄流量影响较小，排水系统的泄洪能力受制于排水管的管径。贮灰场内的大部分洪水仍将蓄存在灰场内，设计中需要留有足够的蓄洪库容。

4 排水竖井与排水管的匹配选择分析

各种井径和管径排水系统的泄洪能力计算［4－5］结果见表4。

对表4中计算结果进行分析，排水竖井与排水管道匹配具有如下关系。

a.排水竖井直径为2.5m，对应匹配的排水管直径为1.4m、1.6m、1.8m；排水竖井直径为3.0 m，对应匹配的排水管直径为1.6m、1.8m、2.0m；排水竖井直径为4.0m，对应匹配的排水管直径为2.2m；排水竖井直径为5.0m，对应匹配的排水管直径为2.4m、2.6m；排水竖井直径为6.0m，对应匹配的排水管直径为2.6m。以上这些排水竖井与排水管直径匹配。无论是排泄设计洪水还是校核洪水，在全部洪水历时内，当灰场内的洪水水位达到一定高度时，排水系统的泄洪过程是由堰流过渡转换成管流状态，最大泄量由排水管道断面控制。排水竖井与排水管道匹配合理。

b.排水竖井直径为3.0 m，对应匹配的排水管直径为2.0m、2.4m；排水竖井直径为4.0m，对应匹配的排水管直径为2.4m、2.6m；排水竖井直径为5.0m，对应匹配的排水管直径为3.0m；排水竖井直径为6.0m，对应匹配的排水管直径为3.0m。以上这些排水竖井与排水管直径匹配，当排泄设计洪水时为堰流控制，即在全部洪水历时内，排水竖井的进流量达不到排水管道的最大泄量。由于堰上水头高度小，排水竖井的进流量就小，排水管道始终不能形成压力流；当排泄校核洪水时为管流控制。由于洪水量增大致使堰上水头高度增加，排水竖井的进流量加大，排水系统的泄洪过程是由堰流过渡转换成管流状态，最大泄量由排水管道断面控制。排水竖井与排水管道匹配一般。

表3 Pj＝0.2%工况贮灰场内水位与排水系统泄流量

表4 各种井径和管径排水系统的泄洪能力计算结果

c.排水竖井直径为3.0m，对应匹配的排水管直径为2.6m；排水竖井直径为4.0m，对应匹配的排水管直径为3.0m。以上这些排水竖井与排水管直径匹配，无论是排泄设计洪水还是校核洪水均为堰流控制，说明排水竖井的直径偏小，排水管道直径偏大，排水系统的泄洪能力较差，井管匹配不合理。即在全部洪水历时内，排水竖井的进流量达不到排水管道的最大泄量，即排水管道始终不能形成压力流。排水竖井与排水管道匹配较差。

d.从表4可以看出，所有匹配工况库内的洪水位相差均较小，其主要原因是贮灰场的面积较大，导致灰场内水深变化较小。

e.排水系统的泄洪水量与排水竖井和排水管的直径有关，直径越大，其总的泄洪水量越大；同时也与水流流态有关，当为堰流控制时，排泄水量受排水竖井的进流能力控制，排水管管径的继续增加并不能加大下泄流量。例如：在设计洪水工况，排水竖井直径为3m 时，对于直径大于2.2m 排水管其最大泄流量是相同的。本工程排水系统选用排水井直径为3 000mm，排水管直径为1 800mm 是合适的。

5 结语

对于山谷贮灰场，排水系统的设置与灰场区域的地形、汇水面积、洪水总量以及规划坝体高度的总体稳定等因素有关。合理选择排水系统的排水井与排水管直径，可以有效排放洪水，同时降低贮灰场的筑坝高度，降低工程造价。

排水竖井与排水管的合理匹配应该满足：在全部洪水历时内，排水系统的泄洪过程是由堰流转换成管流状态，最大泄量由排水管道断面控制；分析库内水位变化，灰场内的最高洪水位相差接近，泄水量接近，井管断面尺寸最小；灰场内存洪量越小，排洪时间越短，排洪能力越强；加大排水系统的排洪能力可以降低灰场内的最高洪水位，减小蓄洪库容。降低筑坝高度，减小坝体工程量；但加强排水系统泄洪能力时，排水系统工程量也增加，设计中需要合理选择排水系统的井管匹配以及泄洪能力，经技术经济比较后确定；山谷贮灰场设计时应留有一定的蓄洪库容，排水井的直径一般选择为2.5～3.0m，排水管直径选择为1.4～1.8 m 为宜。当洪水量较大时，需要通过对排水竖井与排水管道进行多种规格匹配计算，选择合适的排水竖井与排水管道直径。

［1］ 《尾矿设施设计参考资料》编写组.尾矿设施设计参考资料［M］.北京：冶金工业出版社出版，1978.

［2］ 崔莉，杨景芳.七台河电厂贮灰场排洪系统水力模型试验研究［R］.大连：大连理工大学，1997.

［3］ 张英.工程流体力学［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.

［4］ DL/T 5339—2006火力发电厂水工设计规范［S］.

［5］ 李炜，徐孝平.水力学［M］.武汉：武汉水利电力大学出版社，2000.