小型水库卧管、消力井水力分析计算

彭小金

（娄底市水利水电勘测设计院 娄底市 417000）

1 概 况

娄底市位于湖南省中部，西部新化县、冷水江市、涟源市西南部属湘西山地区；东部涟源市的中、东部，娄星区、双峰县属湘中丘陵区。近年娄底市加大了对小型水库除险加固的投资额，逐步对市内存在问题的小型水库进行除险加固。市内小型水库众多，小（Ⅰ）型水库110 座，小（Ⅱ）型水库633 座，小型水库工程主要由大坝、溢洪道、卧管及涵管等组成。根据现场调查，卧管、卧管与涵管衔接的消力井运行多年，卧管裂缝较多，消力井被高速水流冲刷，破损漏水严重。因此卧管、消力井的除险加固是小型水库除险加固的重要内容，本文通过对娄底市涟源市龙虎冲水库卧管、消力井的水力分析计算，为本地区小型水库卧管和消力井除险加固提供经验及借鉴。

2 资料情况

龙虎冲水库位于娄底市涟源市，由大坝、溢洪道、输水涵管等组成。死水位282.70 m，死库容2.8万m3，正常蓄水位297.70 m，正常库容32.30 万m3，总库容35.60 万m3，实际灌溉面积为40 万hm2（600亩），是山丘小（Ⅱ）型水库。除险加固前卧管位于左岸山坡，三合泥砌石结构，放水口为圆形，采用木塞关闭； 大坝涵管偏大坝左端，进口底板高程281.70 m，出口底板高程280.97，长73.0 m，砌石箱涵（B×H）为0.5 m×0.6 m。

3 卧管水力计算

（1）放水孔大小的确定。进水口一般有方形和圆形，沿卧管有多个进水口时，一般各孔面积相等，并按等距离布置，第一孔的孔面到正常蓄水位的距离等于各孔的距离。

放水孔的水力计算按下式计算：

式中 Q——设计放水流量，本工程为0.35 m3/s；

μ——孔口流量系数，与进口形状有关，方形0.58～0.63；圆形一般取0.62；本工程为方形，取0.60；

A——放水孔的底部面积，方形A=B2，B 正方形孔底部边长（m）；

H——孔口上作用水头，即孔口至水面的距离，取3.0 m；

在本次工程中，振捣施工通过采用排式振捣器来实施。本工程选取的排式振捣器是由功率为1.1kW且一排间距为40cm的振动棒组成。振捣施工过程中，为了能有效确保混凝土振捣质量，控制振动器行走速度在1.2～1.5m/min之间。振动工艺完成后，要检查混凝土表面是否平整，而且确保混凝土面标高比模板顶面稍微高一点。排水振动器一边在前进，另一边也应该同时进行纵向拉缸的埋设作业。

g——重力加速度，取9.8 m/s2。经分析计算B//0.276 m，可取0.28 m。

（2）卧管断面尺寸确定。水流由孔口进入卧管后，以无压流的形式沿卧管流动，卧管断面有矩形和方形，其大小与通过流量、卧管纵坡及糙率有关。一般按明渠均匀流进行计算。

式中 Q——通过卧管的流量，为0.35 m3/s；

A——卧管断面面积，方形A=b2，卧管正方形边长（m）；

C——谢才系数，可根据卧管管壁糙率及水力半径计算确定；

i——卧管纵坡，一般为1∶2～1∶3，结合地形，龙虎冲水库卧管纵坡为1∶2；

R——水力半径（m）。

根据试验，当开孔放水时，水流跌入卧管后，水柱跃起高度约为正常水深的（2.5～3.5）倍，因此，为保证管中水流呈无压流，则卧管高度应为正常水深的（3～4）倍。

经分析计算得到b=0.376 m，取0.40 m。

4 消力井水力计算

水流由进水口进入管内后，具有很大的动能，如不处理，则会造成对涵管管身的冲刷破坏，因此需要在卧管末端与涵管衔接处设置消力井（消力箱）。

（1）消力井深度分析计算。消力井深度p(由涵管底板至消力井井底的高度)，须保证井底不受射流直接冲击，由下式计算：t0

式中 h0——涵管正常水深（m）；

t0——消力井水深，由计算，其中b 为放水孔孔口直径（m）；

Hmax——孔上最大水头 （m）（从孔口中心至水库最高蓄水位的垂直水深），3 m；

k——经验系数，取k=1.25；

δ——安全水垫，一般为（0.3～0.5）m，取0.5 m。

计算得到，消力井深度p=1.26 m。

（2）消力井容积计算。水流跌入消力井内，造成剧烈的碰撞，使大部分动能转换为热能而消散，根据试验，每立方米容积的水能消杀能量（7.5～8.0）kW。为了达到充分消能的目的，消力井应有足够的尺寸，求出水流实际具有的能量后，可根据每立方米的消能量确定消力井的体积。

水流能量：N=9.81QH

（3）消力井尺寸的确定。消力井平面面积为BL=V/t0，且要求井长L≥（2～3）B，B 为消力井垂直水流向宽度 （m）。取L=2B，则消力井的宽度B=，同时要求B≥b（涵管宽度）。根据涵管尺寸，可取B=1.0m，L=2.0m，H=1.5m,且V=3m3＞Vmin=1.28m3。

5 小 结

（1）本文以涟源市龙虎冲水库卧管、消力井的水力分析计算为例，合理地确定了龙虎冲水库卧管、消力井的尺寸。

（2）消力井具有良好的抗冻性能，基本上是地下封闭式结构，减少了受冻面积和受冻部位，消力井上部及周围回填土，削减了冻胀上抬的影响，增加了消力井的稳定性；消力井结构布局简单合理，受力对称，使结构内力小、刚度大、强度高。

（3）根据实施后实践证明，消力井是一种高效的消能工，能有效地消除水流由进水口进入管内后的动能，避免对涵管管身的冲刷破坏；同时消力井具有工程量小、工期短、造价低、效益高的优点。

（4）消力井非常适合小流量、高水头的管道水流消能，在灌溉、输排水、供水工程中有着非常广阔的应用前景，特别符合娄底市小型水库、山塘卧管与涵管衔接的过度，值得在小型水库、山塘中推广应用。

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