多功能自動調節堰井的研究與應用

吳換營

（天津市水利勘測設計院，300204，天津）

多功能自動調節堰井的研究與應用

吳換營

（天津市水利勘測設計院，300204，天津）

針對有壓重力輸水工程采用調節閥存在的問題，提出了多功能自動調節堰井這一新型控制性建筑物，介紹了多功能自動調節堰井的結構形式、特點、性能以及在南水北調中線天津干線工程的應用情況。實踐證明，多功能自動調節堰井能夠實現水頭的自動調節，且運行控制簡單。

南水北調工程；天津干線；水力控制；多功能自動調節堰井

一、問題的提出

長距離輸水工程設計中有可利用地形高差時，應優先選擇有壓重力輸水方式。輸水管徑是在充分利用現有水頭條件下由最大流量決定的，但在輸水過程中，輸水流量往往是變化的，故常在管道末端設置調節閥以調節流量。常用的調節閥有環噴式調節閥和網孔套筒式調節閥兩種。這兩種調節閥的技術均源于美國貝利公司，都具有流量、壓力調節范圍大，精度高，且耐氣蝕性能優良，噪聲和振動小，啟閉力矩小等特點，并可根據流量、壓力（或水位）的變化要求，采用可編程控制器（PLC）控制其開度，調節流量。兩種閥在國外都有較多成功案例，但在我國使用不多。

但是采用調節閥會出現如下問題：小于設計流量時，水頭損失減少，導致管道壓力增加，如圖1中②線所示，停止輸水時，管道承受全部水頭，如圖1中③線所示，帶來如下相應問題：一是增加工程投資，二是為避免產生較大的水擊壓力，危及工程安全，控制程序嚴格，運行管理復雜；三是用電負荷級別高；四是調節閥的核心部件嚴重依賴國外，維護不方便。

鑒于上述情況，有必要開發研究一種新型簡便的水力控制方式和裝置。

二、多功能自動調節堰井的結構形式、水力特性和原理

1.結構形式

多功能自動調節堰井由堰井段和明槽段組成，兩者之間為消波板，詳見圖2。堰井段的主要作用有：①調節水頭、消除多余能頭，②使管涵始終處于滿水和有壓狀態，③非恒定流過程中起調壓井作用。明槽段的主要作用有：①調整跌水水躍之后水流的流態，②使水中氣泡在較短的流程內逸出，避免進入下游流道，③起調壓井的作用。在堰井段、明槽段設置橫向梁，同時起消能、均化水流和消渦作用。消波板的主要作用是抑制水面波動，阻擋氣泡，使之提前逸出。

（1）堰頂高程的確定

堰頂高程的確定原則：一是保證管涵進、出口分別滿足一定淹沒深度的要求；二是設計流量時，調節堰井的水頭損失盡量小，見圖3。這樣就可確定堰頂高程。若不能同時滿足上述兩個條件，可采取降低管道的措施。圖3中①線為設計流量壓坡線，②線為最小運行流量時的壓坡線，D為輸水箱涵高度，h1為最小運行流量時管道進出口水位差，h2為最小運行流量時下游堰堰頂水深，h3為堰頂與上游

管道進口的高程差，h3=1.5-h1-h2。

（2）調節堰井長度的確定

堰中心距前胸墻距離L1應以不小于管道高度為原則。堰后長度L2、L3應以保證流態平穩、水位及流量穩定、防止氣泡進入下游有壓管道為原則。根據調節堰井的水力特點，確定堰后長度由水舌跌落距離、水躍長度、躍后段長度確定，其計算公式如下：

①前斷面水深h1

圖1 不同控制方式不同流量壓力線示意圖

式中，q為單寬流量q＝Q/b；φ為流速系數，取φ＝1.0；E0為總能頭；h1為躍前斷面收縮水深。

②弗汝德數Fr1

④水舌跌落距離l1

式中，Fr1為躍前斷面水流的弗汝德數，其他同前。

③躍后斷面水深h2

式中，h0＝h上+υ2/2g，h上為堰上水深；p為跌差。

（3）消波板及消能消渦梁的設置

堰中心距消波板中心距離l2應小于或等于l1+l2；消波板底距調節堰井底板距離應不大于下游管道高度。

在堰井段消波板前、明槽段壓力管道進口前分別設置消渦梁。圖2中所示消渦梁的布置形式（高程、水平間距）適合于水深變化較大的情況。消波板前的消渦梁同時起消能、均化水流和消渦作用；后部的消渦梁強制改變進口前的流態，可避免在消波板處產生挾氣漩渦并將其帶入明槽段。明槽段壓力管道進口前的消渦梁，僅起均化水流和消渦的作用，最直接、有效地防止產生挾氣漩渦，避免氣泡進入有壓管道。

水工模型試驗證明，調節堰井總長度、消波板及消能消渦梁的布置形式及尺寸均比較合理，滿足設計要求，表明工程布置、結構形式和設計方法是科學合理的。

2.主要水力特性

調節堰井中溢流堰的水力邊界條件明顯不同于渠道、水庫大壩中的溢流道（堰閘），因此，在天津干線8座調節堰井中選取具有代表性的#3、#6進行了系統的試驗研究，#3堰體最高，#6屬于中低堰體。

（1）過流能力計算公式

式中，Q為輸水流量，m3/s；ε1為側收縮系數；σs為淹沒系數；m為流量系數；b為堰寬，m；h0為堰上水頭，m。

（2）流量系數

圖2 調節堰井縱剖面示意圖

圖3 調節堰堰頂高程確定方法示意圖

流量系數是反映水工過流建筑

物過流能力的一個綜合參數。不同高度的堰，其流量系數略不相同。3#、6#調節堰井的流量系數分別為0.443和0.433，低堰比高堰的稍大，兩者差值很小，相差僅2.3％。以上表明，從工程應用上講，只要堰體型確定，其流量系數可以認為是一個定值，受堰的高度影響并不明顯，完全滿足工程要求。

（3）淹沒系數

從圖4、圖5中可以看出：溢流堰為淹沒出流時，淹沒系數按各圖所對應的擬合公式計算，淹沒系數隨淹沒度增大而減?。划斞蜎]度大于0.6時，淹沒系數隨淹沒度增大而急劇減小。

圖4 #3調節堰井淹沒系數與淹沒度關系曲線

圖5 #6調節堰井淹沒系數與淹沒度關系曲線

圖6 調節堰井水頭調節能力圖

3.水頭調節原理

多功能自動調節堰井水頭調節能力用水頭損失系數ξ與相對水深h/p2（堰后水深h與下游堰高p2之比）的關系表示，相對水深增加，水頭損失系數減小，并趨于常數。詳見圖6。

從圖4、圖5、圖6可以看出，小流量時，堰下游水位低（即相對水深?。呱舷掠嗡徊畲?，屬于自由堰流，存在明顯的跌水現象（即水頭損失系數大），如圖6中曲線上部的較陡段；大流量時，堰下游水位高（即相對水深較大），堰上下游水位差小，屬于淹沒堰流，跌水落差變小（即水頭損失系數?。?，如圖6中曲線下部的平緩段；當流量增加到一定程度時，堰上、下游水位均增加 （即相對水深較大），跌水落差很小，屬于高淹沒度堰流，淹沒系數趨于1，水頭損失系數趨于定值。調節堰井正是利用過堰流態的自動轉換來實現水頭的自動調節。

三、多功能自動調節堰井在天津干線中的應用

南水北調中線一期工程天津干線西起河北省徐水縣西黑山村，東至天津市外環河西，全長155.3 km，途經河北省保定、廊坊和天津市武清、西青、北辰共11個區縣。設計流量為50 m3/s，加大流量為60 m3/s。

天津干線地形高差64 m，輸水過程不均勻，流量30～40 m3/s的輸水時段較長，水量較大。如何利用自然水頭、采取何種安全可靠的輸水形式輸送不同流量，是本工程方案選擇的關鍵。設計中進行了不同輸水方式和形式的綜合比選，最終采用全箱涵無壓接有壓自流輸水方案。

在有壓輸水段縱斷面設計中，對5～9座調節堰井方案分別從水頭損失影響分析、水力控制影響分析、工程量與投資和工程運用管理等方面進行了綜合比較，最終選擇8座調節堰井的方案。

通過設置調節堰井，小流量輸水時，多余水頭在8座調節堰井處分別消耗，管道沿線壓坡線呈階梯布置形式，避免形成如圖1中②線所示壓坡線；在停水時，還能保證管道所需的最小壓力要求，如圖1中④線所示，避免形成如圖1中③線所示壓坡線；流量增加時，溢流堰上、下游水位提高，落差變小，加大流量輸水時，落差僅相當于管道4個直角的水頭損失，是最小的水頭損失，即圖3中曲線水平值，天津干線管道流速為1.05 m/s，落差為0.22 m，水頭損失很小，工程起止端水頭全部得到利用。與采用調節閥時的情況正好相反，設計流量時管道壓力是最大的，如圖1中①線所示，這樣能大大降低管道壓力，既節省管道投資8.0億元，又有利于安全輸水。

實踐證明，調節堰井技術原理簡單，水力調控性能好，安全可靠，施工方便，運行維護簡單，值得推廣應用。 ■

［1］天津市水利勘測設計院.南水北調中線一期工程天津干線可行性研究報告［R］.2005.

［2］吳換營.一種帶有自動調節堰井的重力有壓輸水系統：中國，ZL2009 10093969.7［P］.2011-07-20.

［3］河海大學，天津市水利勘測設計院.南水北調中線一期工程天津干線調節堰井水工模型試驗研究［R］.2007.

［4］吳換營，寧金鋼，王云靜.南水北調中線一期工程天津干線輸水方案論證［J］.南水北調與水利科技，2014（2）.

責任編輯 楊 軼

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

吳換營，教授級高級工程師，主要從事水利工程規劃設計工作。