小塔山水库输水管道穿河道泄水影响分析

孙云翰，徐 静，苏 凯，杨庆庆，苏叶平

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225007；3.江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225002)

1 工程背景

小塔山水库位于江苏省赣榆区西北部，坐落在青口河上游，是赣榆区重要的防洪、供水工程。水库集水面积386km2，库区面积约26.5km2，总库容2.8×108m3，是一座以防洪为主，结合农业灌溉、城镇工业生活供水和水产养殖等综合利用的大(2)型水库。

本工程主要任务是通过对主坝涵洞下洞首及出水口进行改造，将赣榆区生活用水取水口位置由原环岭节制闸处上移至塔山水库主涵洞，改明渠输水为管道封闭输水。

2 工程概况

新建输水管道采用2根DN1600球墨铸铁管，并排布置，管道中心距3.0m，敷设于河底，经管线长度680m后，穿堤接入塔山干渠西南岸检查井，输水管道线路总长约900m。总体线路布置如图1所示。

图1 莒城湖水厂取水口新建工程线路布置示意图

管道纵向布置，主坝涵洞压力箱处管道中心高程24.20m，经i=0.415坡度使管底落于河底基岩面层，至土基段，经i=0.0262坡度埋入河底1.50m以下，后按i=0.0010接入检查井，检查井处管道中心高程约为17.70m。管道平面布置，管道基本沿塔山干渠河道中心线布置，河道转弯处通过3道11.25°弯头过渡，至检查井上游40m处通过45°弯头由河底转向至河道西南岸方向，弯头处设置镇墩。CS02、CS05管道布置典型断面如图2—3所示。

3 泄水影响评价

3.1 计算工况

塔总干渠现状为灌溉与饮用供水共用河道，灌溉期时流量最大，为25m3/s。取水口改造后，干渠不参与行洪，饮用水经过管道输送，干渠内正常无水，灌溉期流量仍按25m3/s考虑。

3.2 流态计算

3.2.1 计算概况

该河道灌溉涵洞出口流量为25m3/s，为研究该河道灌溉涵洞出口水流在河道流动状况，须对该河道水流流动进行水动力计算分析。根据该工程河道布置情况，对河道边坡进行简化，按照地形图河道走势以1∶1比例建立该河道区域水流三维数值模型。

图2 CS02断面管道布置图

图3 CS05断面管道布置图

3.2.2 控制方程

控制方程采用三维雷诺时均N-S方程来水流不可压缩湍流流动，方程式如下:

(1)

雷诺时均N-S方程：

(2)

3.2.3 平面流态、流速分布

该河道平面流态、流速分布详如图4—9所示(选取CS1～CS3断面进行分析)。

图4 流态分布云图

图5 局部流态分布云图

图6 局部流态分布云图

图4—6计算结果表明，小塔山水库灌溉涵洞出口水流在断面CS1～CS3区域形成大尺度回流，水流主流沿河道右侧边坡流动。

图7 流速分布云图

图8 局部流速分布云图

图9 局部流速分布云图

图7—9计算结果表明，小塔山水库灌溉涵洞出口水流在断面CS1～CS3区域大尺度回流流速基本在0.1～0.4m/s；水流主流流速在1.3～1.6m/s，其中1.6m/s的流速分布范围很小。

3.2.4 断面流速分布

断面CS1～CS6流速分布详见图10—15。

图10 CS1断面流速分布云图

图11 CS2断面流速分布云图

图12 CS3断面流速分布云图

图13 CS4断面流速分布云图

图14 CS5断面流速分布云图

计算结果表明，出口水流在CS1～CS4断面，由于水流回流等不良流态存在，CS1～CS4断面流速在0.1～1.3m/s之间，流速分布不均匀。水流在断面CS5～CS12开始均匀扩散，流速降低，水流较为均匀。

3.3 壅水分析

根据河道测量断面和地址勘探成果，涵洞出水口下游大约200m范围内岩基高程较高，管道施工难以采用直埋的方式，故管道敷设于岩基上，采用素混凝土包裹，以满足埋置深度要求。为不影响灌溉出水，在灌溉涵洞出水口侧下游左侧河道采用8%水泥土回填至现状地面高程，另外一侧采用15cm厚C25素混凝土护底。CS04断面以下均采用直接开挖埋管的形式施工。

涵洞出水口下游约200m范围内工程的建设占据了部分河道断面，灌溉时会产生阻水影响，河道水力条件将会产生一定的变化，局部断面过水面积将会减少，造成水面线抬高。

水面线计算如下。

3.3.1 基本计算公式

(3)

3.3.2 动能修正系数α的选定

给定每个断面的动能修正系数α

3.3.3 沿程水头损失计算

沿程水头损失hf=(J1+J2)/2×ΔL

(4)

(5)

(6)

式中，ΔL—分段长；(J1+J2)/2—分段的平均水力坡度。

3.3.4 扩散或收缩段局部水头损失的计算

hj=ξ扩散×(v12-v22)/2g

(7)

式中，ξ扩散—扩散或收缩段局部水头损失的计算系数。

3.3.5 桥墩或建筑物的局部水头损失的计算

hj=ξ建筑×v12/2g

(8)

式中，ξ建筑—桥墩或建筑物的局部水头损失的计算系数。

3.3.6 弯道的局部水头损失的计算

将弯道转化为直道，转化后长度和断面不变，只采用等价的糙率nr即可。

nr=n×[1+3/4×(b/r)0.5]0.5

(9)

式中，b—河宽;r—河道转弯半径。

3.3.7 河道糙率参数

平原河流清洁、顺直、无沙滩和深潭，糙率取正常值0.030；水深较浅、平面上回流区较多，糙率取正常值0.048。

经分析计算，原河道、新建河道水面线示意图见图16—17。当灌溉涵洞25m3/s进入施工完建后的河道时，水面线计算结果表明，最大雍水发生在CS01断面，新建CS01断面比原CS01断面雍水高为0.066m。主坝涵洞下游200m范围内，塔总干渠两侧堤顶高程均在30.0m以上，高于“抬高后水位+安全超高+波浪爬高”，故现状堤顶高程满足完工后灌溉期水位抬高的挡洪要求。

3.4 冲刷计算

涵洞出水口下游大约200m范围内岩基高程较高，管道施工难以采用直埋的方式，故管道敷设于岩基上，采用素混凝土包裹，以满足埋置深度要求，其余位置管道均直埋于河底，最小埋置深度为1.5m，施工结束后恢复现状河床地貌。

根据工程规划，工程建成后，饮用水不再通过塔总干渠输送，非灌溉期塔总干渠为干涸河道；灌溉期时，灌溉流量为25m3/s，水深约1.5m。本次管道基本埋设于塔总干渠渠底，基本不影响塔总干渠过水断面，基本不会由于工程的实施引起渠道冲刷。

根据水流计算结果，涵洞下游出口段渠道内水流流态、流速受地形、地貌影响，断面流速分部不均，存在一定回流，主流流速在1.3～1.6m/s，根据地质资料，该段河底除20～30cm后淤泥外河床为④层全风化片麻岩河床，工程力学好，抗冲刷性能强。涵洞下游出口约400m以后水流开始均匀扩散，流速降低，水流较为均匀，水流流速基本在0.5～0.8m/s。该范围内河底出去淤泥层外河床位于②层黏土，根据地勘报告，凝聚力C=51.3kPa=0.513kg/cm2，考虑C的离散性，设计取C0=C/3=0.171kg/cm2，河床不冲流速按列维公式计算：

图16 原河道水面线示意图(x方向1∶2000，y方向1∶200，单位：cm)

图17 新建河道水面线示意图(x方向1∶2000，y方向1∶200，单位：cm)

(10)

按式(10)计算得该段河床不冲流速为1.18m/s，满足抗冲要求。

4 结语

(1)水流存在不良流态，流速分布不均匀，往后开始均匀扩散，流速降低，水流较为均匀。

(2)通过水面线计算，现状堤顶高程满足完工后灌溉期水位抬高的挡洪要求。

(3)工程的实施不会引起渠道冲刷。

(4)本工程对小塔山水库防洪运行无影响，对塔山干渠河势稳定无影响。

(5)鉴于取水口及管道安全与下游城区人们饮用水安全密切相关，工程建成后建议定期对阀门及管道附件的检查维护，对管线进行维护。