多功能自动调节堰井的研究与应用

吴换营

（天津市水利勘测设计院，300204，天津）

多功能自动调节堰井的研究与应用

吴换营

（天津市水利勘测设计院，300204，天津）

针对有压重力输水工程采用调节阀存在的问题，提出了多功能自动调节堰井这一新型控制性建筑物，介绍了多功能自动调节堰井的结构形式、特点、性能以及在南水北调中线天津干线工程的应用情况。实践证明，多功能自动调节堰井能够实现水头的自动调节，且运行控制简单。

南水北调工程；天津干线；水力控制；多功能自动调节堰井

一、问题的提出

长距离输水工程设计中有可利用地形高差时，应优先选择有压重力输水方式。输水管径是在充分利用现有水头条件下由最大流量决定的，但在输水过程中，输水流量往往是变化的，故常在管道末端设置调节阀以调节流量。常用的调节阀有环喷式调节阀和网孔套筒式调节阀两种。这两种调节阀的技术均源于美国贝利公司，都具有流量、压力调节范围大，精度高，且耐气蚀性能优良，噪声和振动小，启闭力矩小等特点，并可根据流量、压力（或水位）的变化要求，采用可编程控制器（PLC）控制其开度，调节流量。两种阀在国外都有较多成功案例，但在我国使用不多。

但是采用调节阀会出现如下问题：小于设计流量时，水头损失减少，导致管道压力增加，如图1中②线所示，停止输水时，管道承受全部水头，如图1中③线所示，带来如下相应问题：一是增加工程投资，二是为避免产生较大的水击压力，危及工程安全，控制程序严格，运行管理复杂；三是用电负荷级别高；四是调节阀的核心部件严重依赖国外，维护不方便。

鉴于上述情况，有必要开发研究一种新型简便的水力控制方式和装置。

二、多功能自动调节堰井的结构形式、水力特性和原理

1.结构形式

多功能自动调节堰井由堰井段和明槽段组成，两者之间为消波板，详见图2。堰井段的主要作用有：①调节水头、消除多余能头，②使管涵始终处于满水和有压状态，③非恒定流过程中起调压井作用。明槽段的主要作用有：①调整跌水水跃之后水流的流态，②使水中气泡在较短的流程内逸出，避免进入下游流道，③起调压井的作用。在堰井段、明槽段设置横向梁，同时起消能、均化水流和消涡作用。消波板的主要作用是抑制水面波动，阻挡气泡，使之提前逸出。

（1）堰顶高程的确定

堰顶高程的确定原则：一是保证管涵进、出口分别满足一定淹没深度的要求；二是设计流量时，调节堰井的水头损失尽量小，见图3。这样就可确定堰顶高程。若不能同时满足上述两个条件，可采取降低管道的措施。图3中①线为设计流量压坡线，②线为最小运行流量时的压坡线，D为输水箱涵高度，h1为最小运行流量时管道进出口水位差，h2为最小运行流量时下游堰堰顶水深，h3为堰顶与上游

管道进口的高程差，h3=1.5-h1-h2。

（2）调节堰井长度的确定

堰中心距前胸墙距离L1应以不小于管道高度为原则。堰后长度L2、L3应以保证流态平稳、水位及流量稳定、防止气泡进入下游有压管道为原则。根据调节堰井的水力特点，确定堰后长度由水舌跌落距离、水跃长度、跃后段长度确定，其计算公式如下：

①前断面水深h1

图1 不同控制方式不同流量压力线示意图

式中，q为单宽流量q＝Q/b；φ为流速系数，取φ＝1.0；E0为总能头；h1为跃前断面收缩水深。

②弗汝德数Fr1

④水舌跌落距离l1

式中，Fr1为跃前断面水流的弗汝德数，其他同前。

③跃后断面水深h2

式中，h0＝h上+υ2/2g，h上为堰上水深；p为跌差。

（3）消波板及消能消涡梁的设置

堰中心距消波板中心距离l2应小于或等于l1+l2；消波板底距调节堰井底板距离应不大于下游管道高度。

在堰井段消波板前、明槽段压力管道进口前分别设置消涡梁。图2中所示消涡梁的布置形式（高程、水平间距）适合于水深变化较大的情况。消波板前的消涡梁同时起消能、均化水流和消涡作用；后部的消涡梁强制改变进口前的流态，可避免在消波板处产生挟气漩涡并将其带入明槽段。明槽段压力管道进口前的消涡梁，仅起均化水流和消涡的作用，最直接、有效地防止产生挟气漩涡，避免气泡进入有压管道。

水工模型试验证明，调节堰井总长度、消波板及消能消涡梁的布置形式及尺寸均比较合理，满足设计要求，表明工程布置、结构形式和设计方法是科学合理的。

2.主要水力特性

调节堰井中溢流堰的水力边界条件明显不同于渠道、水库大坝中的溢流道（堰闸），因此，在天津干线8座调节堰井中选取具有代表性的#3、#6进行了系统的试验研究，#3堰体最高，#6属于中低堰体。

（1）过流能力计算公式

式中，Q为输水流量，m3/s；ε1为侧收缩系数；σs为淹没系数；m为流量系数；b为堰宽，m；h0为堰上水头，m。

（2）流量系数

图2 调节堰井纵剖面示意图

图3 调节堰堰顶高程确定方法示意图

流量系数是反映水工过流建筑

物过流能力的一个综合参数。不同高度的堰，其流量系数略不相同。3#、6#调节堰井的流量系数分别为0.443和0.433，低堰比高堰的稍大，两者差值很小，相差仅2.3％。以上表明，从工程应用上讲，只要堰体型确定，其流量系数可以认为是一个定值，受堰的高度影响并不明显，完全满足工程要求。

（3）淹没系数

从图4、图5中可以看出：溢流堰为淹没出流时，淹没系数按各图所对应的拟合公式计算，淹没系数随淹没度增大而减小；当淹没度大于0.6时，淹没系数随淹没度增大而急剧减小。

图4 #3调节堰井淹没系数与淹没度关系曲线

图5 #6调节堰井淹没系数与淹没度关系曲线

图6 调节堰井水头调节能力图

3.水头调节原理

多功能自动调节堰井水头调节能力用水头损失系数ξ与相对水深h/p2（堰后水深h与下游堰高p2之比）的关系表示，相对水深增加，水头损失系数减小，并趋于常数。详见图6。

从图4、图5、图6可以看出，小流量时，堰下游水位低（即相对水深小），堰上下游水位差大，属于自由堰流，存在明显的跌水现象（即水头损失系数大），如图6中曲线上部的较陡段；大流量时，堰下游水位高（即相对水深较大），堰上下游水位差小，属于淹没堰流，跌水落差变小（即水头损失系数小），如图6中曲线下部的平缓段；当流量增加到一定程度时，堰上、下游水位均增加 （即相对水深较大），跌水落差很小，属于高淹没度堰流，淹没系数趋于1，水头损失系数趋于定值。调节堰井正是利用过堰流态的自动转换来实现水头的自动调节。

三、多功能自动调节堰井在天津干线中的应用

南水北调中线一期工程天津干线西起河北省徐水县西黑山村，东至天津市外环河西，全长155.3 km，途经河北省保定、廊坊和天津市武清、西青、北辰共11个区县。设计流量为50 m3/s，加大流量为60 m3/s。

天津干线地形高差64 m，输水过程不均匀，流量30～40 m3/s的输水时段较长，水量较大。如何利用自然水头、采取何种安全可靠的输水形式输送不同流量，是本工程方案选择的关键。设计中进行了不同输水方式和形式的综合比选，最终采用全箱涵无压接有压自流输水方案。

在有压输水段纵断面设计中，对5～9座调节堰井方案分别从水头损失影响分析、水力控制影响分析、工程量与投资和工程运用管理等方面进行了综合比较，最终选择8座调节堰井的方案。

通过设置调节堰井，小流量输水时，多余水头在8座调节堰井处分别消耗，管道沿线压坡线呈阶梯布置形式，避免形成如图1中②线所示压坡线；在停水时，还能保证管道所需的最小压力要求，如图1中④线所示，避免形成如图1中③线所示压坡线；流量增加时，溢流堰上、下游水位提高，落差变小，加大流量输水时，落差仅相当于管道4个直角的水头损失，是最小的水头损失，即图3中曲线水平值，天津干线管道流速为1.05 m/s，落差为0.22 m，水头损失很小，工程起止端水头全部得到利用。与采用调节阀时的情况正好相反，设计流量时管道压力是最大的，如图1中①线所示，这样能大大降低管道压力，既节省管道投资8.0亿元，又有利于安全输水。

实践证明，调节堰井技术原理简单，水力调控性能好，安全可靠，施工方便，运行维护简单，值得推广应用。 ■

［1］天津市水利勘测设计院.南水北调中线一期工程天津干线可行性研究报告［R］.2005.

［2］吴换营.一种带有自动调节堰井的重力有压输水系统：中国，ZL2009 10093969.7［P］.2011-07-20.

［3］河海大学，天津市水利勘测设计院.南水北调中线一期工程天津干线调节堰井水工模型试验研究［R］.2007.

［4］吴换营，宁金钢，王云静.南水北调中线一期工程天津干线输水方案论证［J］.南水北调与水利科技，2014（2）.

责任编辑 杨 轶

Studies on multi-function automatic-regulated weir well and its application//

Wu Huanying

Considering problems with pressured gravity water conveyance structures with regulating valve，studies have been made on new types of control structures namely multi-function automatic-regulated weir wells. Introductions are made mainly on structure type，features and performance of weir well and its application to Tianjin Mainline Scheme of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.It is proved to be usable for automatic regulation of water head and can be easily controlled.

South-to-NorthWaterDiversionProject；TianjinMainline；hydrauliccontrol；multi-function automatic-regulated weir well

TV5

B

1000-1123（2016）10-0030-03

2016-01-04

吴换营，教授级高级工程师，主要从事水利工程规划设计工作。