小型水庫(kù)臥管、消力井水力分析計(jì)算

彭小金

（婁底市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 婁底市 417000）

1 概 況

婁底市位于湖南省中部，西部新化縣、冷水江市、漣源市西南部屬湘西山地區(qū)；東部漣源市的中、東部，婁星區(qū)、雙峰縣屬湘中丘陵區(qū)。近年婁底市加大了對(duì)小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固的投資額，逐步對(duì)市內(nèi)存在問(wèn)題的小型水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固。市內(nèi)小型水庫(kù)眾多，小（Ⅰ）型水庫(kù)110 座，小（Ⅱ）型水庫(kù)633 座，小型水庫(kù)工程主要由大壩、溢洪道、臥管及涵管等組成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，臥管、臥管與涵管銜接的消力井運(yùn)行多年，臥管裂縫較多，消力井被高速水流沖刷，破損漏水嚴(yán)重。因此臥管、消力井的除險(xiǎn)加固是小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固的重要內(nèi)容，本文通過(guò)對(duì)婁底市漣源市龍虎沖水庫(kù)臥管、消力井的水力分析計(jì)算，為本地區(qū)小型水庫(kù)臥管和消力井除險(xiǎn)加固提供經(jīng)驗(yàn)及借鑒。

2 資料情況

龍虎沖水庫(kù)位于婁底市漣源市，由大壩、溢洪道、輸水涵管等組成。死水位282.70 m，死庫(kù)容2.8萬(wàn)m3，正常蓄水位297.70 m，正常庫(kù)容32.30 萬(wàn)m3，總庫(kù)容35.60 萬(wàn)m3，實(shí)際灌溉面積為40 萬(wàn)hm2（600畝），是山丘小（Ⅱ）型水庫(kù)。除險(xiǎn)加固前臥管位于左岸山坡，三合泥砌石結(jié)構(gòu)，放水口為圓形，采用木塞關(guān)閉； 大壩涵管偏大壩左端，進(jìn)口底板高程281.70 m，出口底板高程280.97，長(zhǎng)73.0 m，砌石箱涵（B×H）為0.5 m×0.6 m。

3 臥管水力計(jì)算

（1）放水孔大小的確定。進(jìn)水口一般有方形和圓形，沿臥管有多個(gè)進(jìn)水口時(shí)，一般各孔面積相等，并按等距離布置，第一孔的孔面到正常蓄水位的距離等于各孔的距離。

放水孔的水力計(jì)算按下式計(jì)算：

式中 Q——設(shè)計(jì)放水流量，本工程為0.35 m3/s；

μ——孔口流量系數(shù)，與進(jìn)口形狀有關(guān)，方形0.58～0.63；圓形一般取0.62；本工程為方形，取0.60；

A——放水孔的底部面積，方形A=B2，B 正方形孔底部邊長(zhǎng)（m）；

H——孔口上作用水頭，即孔口至水面的距離，取3.0 m；

在本次工程中，振搗施工通過(guò)采用排式振搗器來(lái)實(shí)施。本工程選取的排式振搗器是由功率為1.1kW且一排間距為40cm的振動(dòng)棒組成。振搗施工過(guò)程中，為了能有效確保混凝土振搗質(zhì)量，控制振動(dòng)器行走速度在1.2～1.5m/min之間。振動(dòng)工藝完成后，要檢查混凝土表面是否平整，而且確保混凝土面標(biāo)高比模板頂面稍微高一點(diǎn)。排水振動(dòng)器一邊在前進(jìn)，另一邊也應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行縱向拉缸的埋設(shè)作業(yè)。

g——重力加速度，取9.8 m/s2。經(jīng)分析計(jì)算B//0.276 m，可取0.28 m。

（2）臥管斷面尺寸確定。水流由孔口進(jìn)入臥管后，以無(wú)壓流的形式沿臥管流動(dòng)，臥管斷面有矩形和方形，其大小與通過(guò)流量、臥管縱坡及糙率有關(guān)。一般按明渠均勻流進(jìn)行計(jì)算。

式中 Q——通過(guò)臥管的流量，為0.35 m3/s；

A——臥管斷面面積，方形A=b2，臥管正方形邊長(zhǎng)（m）；

C——謝才系數(shù)，可根據(jù)臥管管壁糙率及水力半徑計(jì)算確定；

i——臥管縱坡，一般為1∶2～1∶3，結(jié)合地形，龍虎沖水庫(kù)臥管縱坡為1∶2；

R——水力半徑（m）。

根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)開孔放水時(shí)，水流跌入臥管后，水柱躍起高度約為正常水深的（2.5～3.5）倍，因此，為保證管中水流呈無(wú)壓流，則臥管高度應(yīng)為正常水深的（3～4）倍。

經(jīng)分析計(jì)算得到b=0.376 m，取0.40 m。

4 消力井水力計(jì)算

水流由進(jìn)水口進(jìn)入管內(nèi)后，具有很大的動(dòng)能，如不處理，則會(huì)造成對(duì)涵管管身的沖刷破壞，因此需要在臥管末端與涵管銜接處設(shè)置消力井（消力箱）。

（1）消力井深度分析計(jì)算。消力井深度p(由涵管底板至消力井井底的高度)，須保證井底不受射流直接沖擊，由下式計(jì)算：t0

式中 h0——涵管正常水深（m）；

t0——消力井水深，由計(jì)算，其中b 為放水孔孔口直徑（m）；

Hmax——孔上最大水頭 （m）（從孔口中心至水庫(kù)最高蓄水位的垂直水深），3 m；

k——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取k=1.25；

δ——安全水墊，一般為（0.3～0.5）m，取0.5 m。

計(jì)算得到，消力井深度p=1.26 m。

（2）消力井容積計(jì)算。水流跌入消力井內(nèi)，造成劇烈的碰撞，使大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能而消散，根據(jù)試驗(yàn)，每立方米容積的水能消殺能量（7.5～8.0）kW。為了達(dá)到充分消能的目的，消力井應(yīng)有足夠的尺寸，求出水流實(shí)際具有的能量后，可根據(jù)每立方米的消能量確定消力井的體積。

水流能量：N=9.81QH

（3）消力井尺寸的確定。消力井平面面積為BL=V/t0，且要求井長(zhǎng)L≥（2～3）B，B 為消力井垂直水流向?qū)挾?（m）。取L=2B，則消力井的寬度B=，同時(shí)要求B≥b（涵管寬度）。根據(jù)涵管尺寸，可取B=1.0m，L=2.0m，H=1.5m,且V=3m3＞Vmin=1.28m3。

5 小 結(jié)

（1）本文以漣源市龍虎沖水庫(kù)臥管、消力井的水力分析計(jì)算為例，合理地確定了龍虎沖水庫(kù)臥管、消力井的尺寸。

（2）消力井具有良好的抗凍性能，基本上是地下封閉式結(jié)構(gòu)，減少了受凍面積和受凍部位，消力井上部及周圍回填土，削減了凍脹上抬的影響，增加了消力井的穩(wěn)定性；消力井結(jié)構(gòu)布局簡(jiǎn)單合理，受力對(duì)稱，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力小、剛度大、強(qiáng)度高。

（3）根據(jù)實(shí)施后實(shí)踐證明，消力井是一種高效的消能工，能有效地消除水流由進(jìn)水口進(jìn)入管內(nèi)后的動(dòng)能，避免對(duì)涵管管身的沖刷破壞；同時(shí)消力井具有工程量小、工期短、造價(jià)低、效益高的優(yōu)點(diǎn)。

（4）消力井非常適合小流量、高水頭的管道水流消能，在灌溉、輸排水、供水工程中有著非常廣闊的應(yīng)用前景，特別符合婁底市小型水庫(kù)、山塘臥管與涵管銜接的過(guò)度，值得在小型水庫(kù)、山塘中推廣應(yīng)用。

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