输水斜卧管在水浴水库中的应用

2015-08-19李志强付验林河南省豫北水利勘测设计院

河南水利与南水北调 2015年4期

关键词：水洞消力池水浴

□李志强 □付验林 □康锋（河南省豫北水利勘测设计院）

0 引言

我国现状许多小型水库无溢洪道，或者泄洪能力严重不足，对大坝防洪能力有较大影响，为保证洪水能安全下泄，根据水库现状情况，可以采用斜卧管来满足泄洪要求。

文章通过实际应用，表述如何根据水库实际情况及数据来计算并确定斜卧管结构及尺寸。

1 工程概况

水浴（迎丰）水库位于河南省安阳县蒋村乡水浴村西北的安阳河支流上，是安阳县跃进灌区引蓄配套重点工程之一。该库区属丘陵地区，植被较差，是一座以防洪、灌溉为主的小（1）型水库。水库控制流域面积1.10km2，总库容为115 万m3，设计灌溉面积200hm2。水库的安危也直接涉及到下游水浴、张贾店两个村庄群众的生命财产安全及1.50km 处安姚公路的安全。

水库兴建于1976年1月，1978年12月建成投入使用。水库主要建筑物有大坝、输水洞等。

水浴水库大坝为均质土坝，坝顶高程203.00m，最大坝高16.30m，坝长282m，坝顶宽4.00m，未设防浪墙，坝顶道路为土路。大坝自坝顶向下，上游边坡为1：3.50，下游边坡为1：3.50。

输水洞位于坝体左侧，桩号0+047，进水口采用阶梯式斜卧管控制，输水洞洞身为城门洞形，顶部混凝土结构，边墙及底部为浆砌石结构，断面尺寸1.20m×1.70m，输水洞洞口底高程192.77m，洞长100m，最大输水量3.25m3/s。

水库现状无溢洪道，为保障坝体安全，在坝体左侧开挖了一道豁口，作为临时泄洪通道。但水库运行多年，该豁口从未运用过。

2 斜卧管布置

由于水库现状无溢洪道，为保证洪水能安全下泄，根据水库现状确定在输水洞左侧建斜卧管。斜卧管顶部设泄洪口，管身为泄流槽形式，管尾设消能池并连接输水洞，最后通过输水洞泄洪。

2.1 斜卧管结构形式

由水工结构设计确定斜卧管孔口尺寸，斜卧管孔口宽度与泄槽部分宽度相同；泄槽底部坡度应取1:2～1:3，本工程结合上游库岸地形条件，斜卧管底坡采用1:3.00。台阶高差一般为0.30～0.50m，本工程依据水位及库底高程确定台阶高差为0.40m。

2.2 斜卧管放水孔径确定

根据调洪演算，斜卧管顶泄洪口顶高程为200.38m。斜卧管泄洪时，泄洪口最大流量取输水洞最大流量为3.25m3/s 计算，斜卧管顶泄洪口尺寸为1.10m×0.60m。

斜卧管共设14 级放水孔，级差0.40m，各级水孔高程分别为200.09，199.69，199.29，198.89，198.49，198.09，197.69，197.29，196.89，196.49，196.09，195.69，195.29，194.97m。

斜卧管放水孔按孔口出流公式计算。

开启一级放水孔，计算公式为:

同时开启两级放水孔为：

同时开启三级放水孔为：

式中：d—放水孔直径，m；Q—放水流量，按灌溉流量0.50m3/s。计算；H1、H2、H3—孔上水深，m，计算时取一级孔上水深0.29m，二级孔上水深0.69m，三级孔上水深1.09m。

经计算，同时开启三级放水孔时，放水孔径为0.30m。

2.3 斜卧管断面尺寸确定

结合库岸地形条件，斜卧管底坡采用1:3.00，矩形断面。

考虑原输水洞不拆除，利用最大流量为3.25m3/s 计算。管内水流近似于明渠均匀流,水力计算求出正常水深。计算公式如下:

式中：Q加－斜卧管过水流量，3.25m3/s；A－过水断面积，m2；C－谢才系数；R－水力半径；N－糙率，n=0.03；i－底坡，i=1/30。

经试算斜卧管内宽度b=1.10m 时，正常水深为h0=0.12m。为保证放水孔水流跌落斜卧管时，水柱的跃高不致淹没进水孔底缘，使斜卧管内不形成压力流，按照规范对于方形卧管，其高度应为斜卧管正常水深的3～4 倍，斜卧管高0.48m，为方便斜卧管检修，斜卧管高取0.60m。

2.4 斜卧管结构设计

斜卧管施工根据就地取材的原则，斜卧管外侧挡土墙采用M7.50 浆砌石挡土墙,内侧采用60mm 厚C20 混凝土衬砌，圆盖板厚20cm，采用C25 钢筋混凝土预制、砌筑。

结合库岸地形条件，斜卧管管底坡度采用1:3.00，矩形断面，宽1.10m，高0.60m。

2.5 斜卧管消力池设计

斜卧管与输水洞连接处设消力池，以便水流平顺进入输水洞。

2.5.1 消力池水力计算

方形斜卧管消力井水力计算主要确定池深和池长，计算公式如下：

式中：Q－单宽流量，20年一遇洪水泄洪流量，单宽流量1.60/1.10＝1.45m3/s；h2－第二共轭水深m；h0－斜卧管正常水深，0.12m；α－流速不均匀系数，α＝1.10；G－重力加速度，g=9.81m2/s。

计算得第二共轭水深h2为1.84m.

池深计算采用简化计算法：

式中：d－消力井深，m；σ－取1.05；h2－消力井下游水深m，1.84m；h－紧接消力池出口的下游水深，取平洞正常水深1.36m。

将以上有关数值代入公式计算得：d=0.57m，消力池深取为0.60m。

池长计算：

Lk=（3～5）h2

式中：Lk－自由水跃长度，m；h2－第二共轭水深m，1.84m。

经计算：

Lk=5.54～9.20m，取池长Lk=6.00m。池宽同斜卧管底宽，为1.10m。

2.5.2 消力池结构设计

消力池侧墙为M7.50 浆砌石，内侧采用60mm 厚C20 混凝土衬砌,顶部采用现浇C25 钢筋混凝土盖板封闭,盖板下设L 型橡胶止水。

3 斜卧管进水口的改进设计

斜卧管的进水口控制设施的孔口尺寸与斜卧管孔口尺寸相同，周边设止水，顶部通过盖板控制进水，盖板顶部有防盗锁，保证管理人员管理设施的权限，材质采用球墨铸铁材料，见图1。

图1 球墨铸铁材料图

球墨铸铁材制的进水口设施由铸态球墨铸铁组成，具有高强度、高延伸、高耐腐蚀性能，其强度高于45 号优质碳素钢，是混凝土、树脂、钢纤维等材料的10～30 倍，耐腐蚀性能是普通铸铁和钢材的3～5 倍，耐磨性是普通铸铁和钢材的2 倍，是混凝土、树脂、钢纤维等材料的10～30 倍。其化学、物理性能比较稳定，受日照、温度、湿度等环境变化因素影响较小。