鄂北地区水资源配置工程孟楼-七方倒虹吸黑清河放空系统结构设计与研究

吴佩 陈小松 冯小庆 倪双双 李琦

摘要：大口径、长距离输水管道在调水工程中的应用越来越广泛，放空系统的布置显得尤为重要。为确保鄂北地区水资源配置工程孟楼-七方倒虹吸的安全运行并满足检修需求，在倒虹吸沿线低洼处设置了放空设施。在黑清河放空系统的设计中，针对放空系统总体布局提出了设计思路，通过概化物理模型试验研究优化了消能井结构设计，参考设计规范及相关工程经验优化了放空阀室结构设计。研究成果可为类似工程提供技术经验和科学依据。

关键词：倒虹吸;放空型式;深筒式消能井;物理模型试验;鄂北地区水资源配置工程

中图法分类号：TV672.5文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.004

Abstract：Large diameter and long distance water conveyance pipeline has been applied more and more widely in water diversion projects， the layout of its blow-down system is particularly important. To ensure the safe operation and meet the maintenance requirements of the inverted siphon from Menlou to Qifang in the North Hubei Water Transfer Project， the inverted siphon was equipped with the venting facilities along its low-lying areas. In the design of the Heqinghe blow-down system， the overall layout of the blow-down system was proposed， and the structural design of vertical stilling well was optimized by generalized physical model testing. By referring to the design specification and relevant engineering experience， the structural design of the vent valve chamber was also optimized. The results can provide technical practice experience and scientific basis for similar projects.

Key words： inverted siphon;blow-down type;vertical stilling well;physical model test; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概況

孟楼-七方倒虹吸（以下简称“倒虹吸”）位于鄂北地区水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）首段，桩号25+520～97+600，总长72.149 km。该工程起自老河口市孟楼镇柴岗村，经老河口市孟楼镇、薛集镇、襄州区黄集镇、朱集镇、程河镇，跨襄州区白河、唐河，至枣阳市七方镇吴庄村，沿线地形两侧高、中间低，高程差达60多米。倒虹吸采用3根沟埋DN3800 mm预应力钢筒混凝土管（PCCP管）平行布置，设计流量38.0 m3/s。

为确保输水干渠输水安全及满足检修需要，结合检修阀的设置，根据各段排水量、排空时间及综合考虑抽水泵的规模、台数等因素，在沿输水线路低洼处设置放空设施。放空采用自流排水与抽排水相结合的方式排除管道内的水，为避免输水主管道局部检修时全线断水，放空系统按单管单控设置，既可以单管单放，亦可多管同时打开放空。倒虹吸共设置放空设施15处，根据管线沿线高程采用3个批次放空，放空次序由高至低。在这15个放空系统中，黑清河放空系统自排放空水头（23.46 m）和自流放空流量（10.25 m3/s）均最大，具有一定研究意义。

当前输水工程放空系统设计中放空管径设计均在900 mm以下，放空流量也较小[1]。黑清河放空系统放空管径大、流量大，并无先例参考，需要通过模型试验研究确定比较安全合理的消能放空型式。

2 放空系统设计思路

2.1 放空型式确定

黑清河放空系统主要功能是将倒虹吸主管道里的水通过自流和抽排结合的型式放空至主干线左侧的黑清河。黑清河放空系统位于鄂北工程主干渠倒虹吸桩号83+950处，对应主管道中心高程为69.30 m，地面高程74.30 m。黑清河20 a一遇设计水位为79.20 m，200 a一遇校核洪水位为80.50 m，常水位70.00 m。

放空系统按放空处地形条件分为上排型式和下排型式2种类型。对于主管道埋深较深，放空设施出口河道（水库）水位较低或主管道埋深较浅，放空设施出口河道（水库）水位较高时，采用上排型式放空;对于放空设施处管轴线出口河道（水库）水位较低、管道埋深较浅时，采用下排型式放空。黑清河放空系统对应主管道埋深较浅，放空出口对应的黑清河常水位较低，因此采用下排型式放空。考虑黑清河自排放空水头较大，采取增加消能阀的型式，即下排+消能阀型式。

2.2 总体布局

放空系统与主管道退水口段通过混凝土镇墩衔接。设置3根放空管分别从输水主管道的底部并排引出至下游阀室。放空管中心高程为65.40 m，阀室内设置3套手动电动两用检修阀和工作阀（活塞阀）组，放水管经检修阀、工作阀（活塞阀）后并联，再接入消能井，消能井与阀室通过中隔墙隔开。消能井井壁设置不同的消能墩块，增加消能效果[1-2]。经消能井二次消能后，在井壁下游墙体的高程70.00 m处通过自流出水口，将水排入箱涵。由于箱涵下穿黑清河右岸堤防与黑清河河床衔接，黑清河水位高于箱涵顶部高程，故需在箱涵末端设置防洪闸。当主管道需要放空时，打开防洪闸闸门，放空的水最后汇入黑清河，平时关闭防洪闸门防止黑清河水倒灌进入放空系统内。在无法自流时，打开位于消能井内的抽水泵，通过埋置于自流口左侧的钢管，将水抽排入箱涵内，最后汇入黑清河。在阀室下游左侧设置楼梯与地面相通，消能井位于阀室下游右侧，楼梯间与消能井通过中隔墙隔开。水泵控制阀、闸阀位于消能井左侧的楼梯间面层。黑清河放空系统总平面布置见图1。

2.3 设计难点

倒虹吸在桩号83+950处工作压力为0.8 MPa，对于黑清河放空系统系统而言，存在两个主要的技术设计难点：①由于放空水头较大，管道放空时，对放空支管、消能井及消力池等产生较大影响;②放空流量的大小直接影响放空时间，对工程检修及应急调度产生影响。鉴于此，有必要对放空系统开展模型试验，研究其流态、流速、压力等，评估其消能效果[3]，从而确定具体的消能型式。

由于放空阀突然启闭时产生较大的水锤压力，放空阀室和消能井属于下埋式结构，受地下水产生的扬压力影响，结构整体的抗滑稳定受到威胁，需通过计算选择安全经济合理的结构设计。

3 放空系统结构设计

3.1 深筒式消能井设计

3.1.1 模型制作

深筒式消能井利用射流对消力井井底的冲击、井内水流扩散以及水股之间相互摩擦进行消能，流态复杂[4]，通过概化物理模型试验研究确定尺寸。放空系统模型模拟范围包括部分放空主管道、岔管、支管道、放空阀、消能井及下游渠道。模型比尺为1∶10。模型供水水箱采用钢板制作，主管道、放空管道、消能井及消力池等采用有机玻璃制作。模型制作安装精度满足SL 155-2012《水工（常规）模型试验规程》的要求。模型流量采用三角薄壁堰量测，上、下游水位采用水位测针量测，水面线采用钢尺量测，所有仪器设备均经检定并在有效期内。

3.1.2 优化方案试验研究成果

黑清河放空系统原方案剖面布置见图2。放空管道出口为63.50 m，管口距为0.5 m，消能井井底高程62.50 m，井深6.50 m，井宽4.60 m，井顶高程75.20 m。消能井出口接横断面为3.0 m×2.7m（宽×高）的箱涵，消能井至箱涵为封闭式，箱涵首部底高程为68.50 m，箱涵尾部设防洪闸，闸底高程为68.46 m，后以1∶3连接消力池;消力池底部高程67.96 m，尾坎高1.00 m，消力池尾坎后设防冲槽，防冲槽高程为68.96 m。

下游水位不受下游水库顶托时放空，消能井内紊动强烈，掺气充分，水面波动较大，偶有水花溅起，水流出消能井后，在箱涵首部形成有压流，其后为明流，水面波动较小，见图3。

根据原方案及概化模型试验研究成果，对黑清河倒虹吸放空模型设计进行了调整，优化方案布置见图4。消能井由封闭式改为开敞式，井深由6.5 m加深至8.5 m，井宽由4.6 m扩宽至5.6 m，管口距由0.5 m增至1.5 m。消能井后接消力池，消力池池长10 m，池深1 m，尾坎后再接长30 m、横断面尺寸为3.0 m×3.5 m（宽×高）的箱涵。

下游水位不受下游水库顶托时放空，消能井内流态平稳，水面波动较小。水流出消能井后，出口处水深为2.3～3.2 m，流速为1.24 m/s;水面跌落进入消力池，消力池内的水深为2.45～2.90 m，流速1.28 m/s，水流在消力池没有形成水跃。矩形渠道内未见水体溢出边墙，尾坎上水深为1.50～1.75 m，流速2.10 m/s，出尾坎后水面跌落0.4 m，进入箱涵，在箱涵内为明流，流速约为1.40 m/s，净空率为22.8%，水面平稳。黑清河下游渠道水面线见表1。

3.2 放空阀室结构设计

放空阀室平面净尺寸为11.7 m×10.6 m，底板高程63.70 m，井頂高程75.50 m，阀井底设置2.6 m×1.5 m×1.5 m（长×宽×高）集水井，顶板在垂直电动阀处设置吊物孔。阀室和消能井作为整体进行结构稳定计算，由于占地面积大、埋深大，考虑各种工况的最不利因素，通过增加底板厚度和增设上游托板达到满足结构稳定计算要求。放空阀室底板厚度2.7 m，上游边墙、下游中隔墙及左右边墙厚度均为1.2 m，拖板宽度3.0 m，沿上游墙布置。阀室及消能井结构见图5。

考虑如下4种计算工况：

（1）检修工况（特殊组合Ⅰ）。阀室及消能井外水位取与填土高度齐平。

（2）施工工况（特殊组合Ⅱ）。地下水位与消能井底板齐平。

（3）正常运行工况（基本组合Ⅲ）。消能井内水位74.3 m，黑清河常水位70.0 m，阀室及消能井周围填土地下水位取71.0 m。

（4）完建工况（基本组合Ⅳ）。地下水位与消能井底板齐平。

按照GB50265-2010《泵站设计规范》，稳定分析计算结果汇总见表2，可见结构设计满足规范要求。

4 结 论

（1）以黑清河放空系统为实例，从设计思路到具体的结构设计难点进行阐述和分析，对类似工程具有一定的借鉴意义。

（2）深筒式消能井采用概化物理模型试验研究更为直观，能较精准地确定消能井的设计尺寸，有利于优化放空系统结构设置。

（3）黑清河放空系统中阀室和消能井、楼梯间为整体结构，中间通过中隔墙隔开，结构布置及受力情况不对称，如何对其进行优化布置还值得进一步研究。

参考文献：

[1] 李炜. 水力计算手册（第2版）[M]. 北京：中国水利水电出版社，2006.

[2] 肖文渊. 长距离大口径输水管道综合式消能井结构技术研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2003，12-14.

[3] 赵经华，侍克斌，马亮，等. 阿拉山口输水管道消能井结构试验研究[J]. 人民黄河，2010，32（3）：92-93.

[4] 杨星晨，吴鲜艳. 蒋家沟水利工程深筒式消力井设计[J]. 甘肃水利水电技术，2011，47（6）：27-28，41.

（编辑：李晓濛）