庫塘臥管設(shè)施技改的研究與實踐

劉愛國 帥澤金 胡世元 傅勛德 黃岳榮

（漢壽縣水利局 常德市 415900） （漢壽縣恒興機械有限公司 常德市 415906）

漢壽縣地處湖南省沅、澧水尾閭，洞庭湖西濱，總面積2034km2。地勢南高北低，山湖各半。以南湖撇洪河為界，北部為湖平區(qū)，南部為丘陵山區(qū)。全縣現(xiàn)有30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)園，其中南部丘陵山區(qū)占17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)園。

南部丘陵山區(qū)土地相對貧瘠，由于年內(nèi)降雨時空分布不均，水資源可持續(xù)利用率低，通過供需水量平衡計算，全區(qū)尚缺水 （P=75%）2510.57萬m3，一遇大旱 （P= 95%）缺水6463.55萬m3，對小型水利設(shè)施非常依賴。本縣的治水難點在湖平區(qū)，20世紀在治水上對南部丘陵山區(qū)農(nóng)民實行“一平二調(diào)”，支援湖平區(qū)水利建設(shè)。因此，南部丘陵山區(qū)的水利基礎(chǔ)設(shè)施相對湖平區(qū)較差。從20世紀50年代起，南部丘陵山區(qū)共建成中小型水庫209座，其中中型水庫3座，?。á瘢┬退畮?8座，?。á瘢┬退畮?88座，山塘6596口，河溪壩320處。蓄水總庫容1.6億m3。受益灌溉面積2.18萬hm2（32.77萬畝）。這些水利設(shè)施分布在17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)園的每個村落，與人民群眾的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，特別是對促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和滿足農(nóng)田灌溉、人蓄飲水、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及防汛抗旱發(fā)揮著重要的作用。

但是，由于歷史原因以及后期生產(chǎn)管理方式變革等諸多因素，目前，這些水利設(shè)施普遍存在“先天不足”和“后天營養(yǎng)不良”，長期“帶病”運行，逐步喪失其功能。特別是取水臥管存在著“放水不出、蓄水不了、管理不住、危及安全”的問題尤為突出。本文通過近幾年國家對丘陵山區(qū)特別是水庫除險加固投資政策的傾斜，在水庫除險加固改造中,針對取水臥管存在的問題進行了認真研究、規(guī)劃、設(shè)計,并與相關(guān)廠家研制出一種安全實用新型鑄鐵拍門應(yīng)用在中小型水庫臥管山塘中，取得了成功的經(jīng)驗，有效地解決了取水臥管存在的問題。

1 臥管的歷史狀況

漢壽縣的水庫、山塘大多修建于20世紀50～70年代，當時的設(shè)計、技術(shù)、器材、施工工藝都很落后。水庫、山塘的放水設(shè)施由橫穿大壩下的放水涵洞與放水臥管組合而成，放水臥管上的放水孔蓋常用草塞、木塞、木板（混凝土板）蓋加黃泥、石（混凝土）塞。放水臥管問題較多。

（1）淤塞嚴重，放水不出。

當時物質(zhì)匱乏，絕大部份特別是?。á瘼瘢┬退畮斓暮?、臥管幾乎全部是石碑、瓦管、青磚三合土砌成或無筋（竹筋）混凝土用竹籠代內(nèi)模（不拆模）澆筑而成，方圓不一，管內(nèi)壁極為粗糙，管口又無攔污柵，管內(nèi)淤泥雜草嚴重堵塞無法疏通導致涵、臥管放水不出，有些庫塘一到汛期或大旱之年不得不掘堤泄洪和灌溉。

（2）漏水嚴重，蓄水不了。

由于臥管放水孔施工工藝差，“塞”十分簡陋、原始，孔口常年漏水，水庫、山塘不能正常蓄水，且蓄水白白流失，蓄水不了。

（3）水權(quán)分散，管不住。

在集體農(nóng)作方式時期，中小型水庫水權(quán)集中在鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利管理站所，河壩、山塘水權(quán)集中在村級，有專門的管水員實施開閉、管理、維護。后隨著生產(chǎn)責任制的改變，水權(quán)相對分散，非管水員隨便私自開閘放水，加之放水“塞”易損、易丟、易盜，有些地方灌溉季節(jié)為爭水權(quán)而損壞放水設(shè)施或私藏、丟失放水“塞”的事時有發(fā)生，特別是突降暴雨無人及時關(guān)閉庫塘水上漲導致放水“塞”無法關(guān)閉，造成庫塘水大量流失，管理不住。

（4）三邊工程，危及安全。

過去，山丘區(qū)水利工程絕大部分屬“三邊”（邊規(guī)劃、邊設(shè)計、邊施工）工程，土法上馬、因地制宜、因陋就簡，自行設(shè)計。有些工程因臥管孔口之間的級差、孔口尺寸過大，加上有些臥管未設(shè)通氣孔（靠孔口“塞”關(guān)閉不嚴通氣）。從而導致作用在孔口上的壓力很大，造成孔口不能打開或開后人體被孔吸住而危及人身安全。20世紀80年代喉龍管小（Ⅰ）型水庫曾發(fā)生過管水員開啟臥管孔口而被吸進臥、涵管淹死的事故。加之進口臺階長期浸在水里，上面淤泥腐葉或長滿綠苔，表面很滑，管水員開閘放水常滑下庫塘，危及安全。

2 臥管的重點改造

2.1 臥管“塞”的研發(fā)

根據(jù)現(xiàn)場多次調(diào)研，臥管放水孔徑一般直徑為（100～250）mm，若農(nóng)田灌溉流量大或輔助泄洪的庫塘，每臺設(shè)兩個放水孔或設(shè)兩條臥管共用一條涵管，按三級人力打開。我們與漢壽縣恒興機械有限公司共同研發(fā)出適合中小型水庫、山塘、河壩、灌區(qū)安全實用新型鑄鐵拍門（放水塞），定型為PM100、PM150、PM200、PM250四種。在人力安全打開的前提下，完全能滿足農(nóng)田灌溉流量大或輔助泄洪的庫塘。

2.1.1 拍門結(jié)構(gòu)及原理

該拍門由混凝土預(yù)埋短管（與拍門座環(huán)聯(lián)體）、拍門座環(huán)、止水橡膠圈、門絞、門頁（門頁中心線上設(shè)有開閉扣體）、開閉操作桿組成。

其工作原理：開閉操作桿設(shè)計為一頭帶開閉圈、鉤和另一頭帶手握圈。打開時，管水員手持開閉操作桿順臥管上標的開閉拍門中心紅線用開閉圈、鉤的圈扣住拍門門頁上的扣體用力拉開即可（平水出流）；關(guān)閉時，用開閉圈、鉤的鉤作用在拍門門頁上的扣體用力推抬即可關(guān)閉。

2.1.2 拍門安裝及特點

將拍門預(yù)埋短管套入組裝的用PVC塑料管做臥管內(nèi)模進口支管上與臥管臺面一次澆筑而成，也可二期澆筑。注意拍門中心線的開閉扣體一定要與臥管進口中心線或標志線一致，并校核水平，已便定位開閉。

其特點：結(jié)構(gòu)簡單、易安裝、造價低、防損、防丟、防盜、止水、不用人力操作，安全簡便，無需經(jīng)常維護，便于管理，滿足放水需求。

2.2 臥管定型設(shè)計

為了便于臥管的統(tǒng)一技改，我們對臥管進行了定型設(shè)計。

2.2.1 臥管的水力計算

（1）臥管放水孔直徑確定。

由于庫塘都設(shè)有溢洪道或復式溢洪道 （即在溢洪道中設(shè)寬窄式道口安裝活動閘門或挑筑臨時土壩，干旱年關(guān)閘或筑壩蓄水，豐水年開閘或挖壩深度溢洪），臥管只參與輔助泄洪。因此，設(shè)計放水流量一般按灌溉所需流量考慮。臥管放水孔直徑按小孔出流公式計算，考慮人力操作，開啟的級數(shù)不能太多，級差不能太大。按同時開啟三孔計算，級差確定為0.4m。

其計算公式為：

式中 D——放水孔直徑（m）；

Q——設(shè)計放水流量（m3/s）；

H1、H2、H3——各級孔上水深（m）。

如果每臺設(shè)兩個放水孔，按上式計算時的Q值應(yīng)取要求放水流量的1/2。然后根據(jù)理論計算的D值選取定型拍門尺寸和確定每臺級孔數(shù)。

（2）臥管斷面的確定。

臥管斷面設(shè)計與通過的流量，應(yīng)考慮水位變化而導致的放水孔調(diào)節(jié)，比正常運用時加大20%～30%，按明渠均勻流公式計算其所需過水斷面。

式中 ω——臥管斷面面積（m2）；

Q加——通過臥管的流量（m3/s）；

i——臥管縱坡；

n——糙率，PVC管n=0.008～0.009；

d——臥管直徑（m）；

θ——弧度。

考慮到放水孔水流跌落臥管時的水柱躍起高度約為正常水深的2.5～3.5倍，為保持跌下水柱躍高不致淹沒放水孔出口，使臥管內(nèi)不形成壓力流，臥管高度應(yīng)較正常水深加高3～4倍。

2.2.2 臥管的結(jié)構(gòu)

臥管式進口是埋設(shè)在壩前山坡或堤壩上的漿砌石或混凝土放水管，下部通過消力池與壩下涵管或山體隧洞相接，上部高程按 《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》（SL289-2003）應(yīng)高出設(shè)計水位（0.5～1.0）m，取1.0m，與隱蔽防塞通氣孔相聯(lián)?？v坡設(shè)為1∶2～1∶3。臥管放水孔臺階一般與踏步設(shè)為一體。

在臥管的兩邊安裝防偷水滑動式防污攔魚柵軌道。

臥管底部每隔5m設(shè)一道抗滑齒墻，以增加底板的穩(wěn)定，齒墻間設(shè)伸縮縫，縫內(nèi)用柏油杉板或填二粘三油止水。

2.2.3 防偷水滑動式不銹鋼防污攔魚柵

早前的臥管放水孔從未設(shè)計安裝防污攔魚柵，放水孔口、臥管經(jīng)常被庫塘中的飄浮物堵塞，主要靠管水員定期清理或疏通，嚴重影響著農(nóng)田灌溉。

為了防止庫塘中的飄浮物堵塞放水孔口、臥管或防魚走失，我們首次創(chuàng)新在臥管上設(shè)計安裝了防偷水滑動式不銹鋼防污攔魚柵。其結(jié)構(gòu)主要由防污攔魚柵、滑輪、上下纜繩、軌道、螺栓夾板式防偷水鎖定裝置組成。為防止放水孔口深水漩渦帶入飄浮物，防污攔魚柵長度按五級放水孔臥管長度設(shè)計，柵條設(shè)計成倒“U”字形，兩邊組裝滑輪與預(yù)埋臥管兩邊的軌道結(jié)合而上下滑動。

防偷水滑動式不銹鋼防污攔魚柵操作簡便，它可隨庫水漲落而滑動，上面設(shè)有鎖定裝置。開、閉拍門時，操作上下纜繩放下防污攔魚柵一定位置方可開閉。放水或不放水時拉上防污攔魚柵鎖定。開啟專用工具由管水員保管。這樣既可防飄浮物堵塞放水孔口、臥管和防魚走失又可防止其他人隨意開閉或偷水，使臥管得到了無人科學管理。

2.3 臥管施工新工藝

2.3.1 PVC塑料管代替內(nèi)模

目前，臥管施工采用三種方法：一是漿砌石與鋼筋混凝土結(jié)合，先用混凝土澆筑底板，然后兩邊采用M7.5水泥沙漿砌塊石，最后立項模澆筑鋼筋混凝土蓋板；二是素混凝土（竹筋混凝土），先用混凝土澆筑底板，再用“竹籠”代內(nèi)模，內(nèi)圓外方，立外模（或以土代模）一次澆筑；三是鋼筋混凝土，先用混凝土澆筑底板，再兩側(cè)立模（或內(nèi)立木模、外以土代模）澆筑，最后立項模澆筑蓋板。以上三種方法存在著施工進度慢（為拆除內(nèi)模，必須分段、分期施工，裝模、拆模工序多，難度大、花工多）；內(nèi)模拆除不干凈或無法拆除（如竹籠），內(nèi)壁糙率大，易堵塞，阻水嚴重；施工縫多，質(zhì)量得不到保證，滲水漏水。

鑒于上述問題，在臥管施工中我們吸取 “竹籠不脫模”原理，采用了PVC塑料管代替木板內(nèi)模和“竹籠”內(nèi)模這一新工藝。

（1）施工具體操作方法。

根據(jù)計算出來的臥管內(nèi)徑和選擇的拍門內(nèi)徑尺寸，確定PVC塑料管不同的內(nèi)徑大小，選取PVC塑料管壁厚為（2～4）mm，再依據(jù)臺階級差現(xiàn)場加工組裝，特別是臥管與放水支管的組裝，因大小不同和坡比不一樣，要現(xiàn)場計算好管道切口才能進行下料粘合組裝 （這里建議最好將臥管設(shè)計成果和所選拍門內(nèi)徑尺寸提供給廠家訂制大小不同的分叉管或由廠家提供成品，這樣現(xiàn)場組裝即可）。把組裝好的PVC塑料管內(nèi)模固定在澆筑好的底板上，固定校正，再扎筋立外模，內(nèi)圓外方，最后一次澆筑成形。注意在澆筑混凝土時應(yīng)左右兩邊同時澆筑，使PVC塑料管受力均勻不能走模。

（2）PVC塑料管代內(nèi)模其優(yōu)點。

一是施工工藝簡單，易于操作；二是一次性澆筑成形，節(jié)省工序、省工省事、節(jié)約資金，減少施工縫，與鋼筋混凝土結(jié)合強度高、性能好，確保工程質(zhì)量；三是不需脫內(nèi)模，內(nèi)壁光滑、糙率小、流動阻力小、抗堵塞，輸水能力較漿砌石、鋼筋混凝土管提高40%～60%；四是維修費用低，使用壽命長，解決了漿砌石、鋼筋混凝土管因斷裂或局部開裂滲水漏水問題。

2.3.2 PVC塑料管隱蔽防塞通氣孔

臥管通氣孔常設(shè)在臥管的上部朝天而開，因而通氣孔常被流失泥土、磚渣碎石、樹葉雜草、人為等堵塞，影響通氣，為了解決這個問題，我們把它設(shè)計成PVC塑料管隱蔽防塞通氣孔，將通氣孔制作成“V”字形，一端與臥管內(nèi)代內(nèi)模的PVC塑料管聯(lián)接，另一端 （安裝有特制的PVC塑料管防污柵）與上部臥管踏步迎水側(cè)面聯(lián)接澆筑，光滑流暢，這樣既通氣又不易堵塞。

3 結(jié) 語

目前，實用新型鑄鐵拍門、防偷水滑動式不銹鋼防污攔魚柵、PVC塑料管代內(nèi)模、PVC塑料管隱蔽防塞通氣孔這一新設(shè)備、新材料、新工藝、新技術(shù)已在漢壽縣南部丘陵山區(qū)水庫臥管更新改造中安裝應(yīng)用了多處，收到了很好的效果，深受水利部門和丘陵山區(qū)廣大農(nóng)民歡迎，稱之為“節(jié)水、和諧、安全”型臥管，是一項費省效宏的工程，在臥管改造中是一次革新，值得大力推廣。

1 饒杰.試論中小型水庫抗旱保灌的科學調(diào)度[J].湖南水利水電，2009（4）.

2 黃自勇.漢壽縣山丘區(qū)旱災(zāi)成因及對策[J]，湖南水利水電，2010（4），73.

3 張然.臥管孔口流量的計算[J].農(nóng)田水利與小水電，1985（12）,24-27.

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5 SL289-2003.水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范[S].