埋管式泄水口流量計(jì)算方法研究

田會靜，徐恩岳，秦亮

（1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

埋管式泄水口流量計(jì)算方法研究

田會靜1，徐恩岳2，秦亮2

（1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

埋管式泄水口流量尚無成熟計(jì)算方法，針對此情況文中分析了圓管型泄水口均勻流及非均勻流、泥塘端淹沒和非淹沒不同狀態(tài)下的水力參數(shù)計(jì)算公式，并結(jié)合工程實(shí)例分別對管線的輸水能力、水面線、糙率、輸水性能最佳充滿度等進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和分析，提出了淹沒與非淹沒兩種情況的計(jì)算方法，為吹填排水管線的布置、吹填流失量的估算提供技術(shù)支撐。

埋管式泄水口；輸水能力；自由出流；淹沒出流；糙率

0 引言

流失量[1]一直是影響吹填工程成本和利潤的關(guān)鍵因素，對于已挖掘吹填上陸的疏浚物，確保其有效沉淀和減小流失，是成本控制的關(guān)鍵，而泄水口設(shè)計(jì)的成敗又是吹填流失量控制的關(guān)鍵點(diǎn)，在很大程度上決定了吹填工程的盈虧情況。

泄水口常見形式有溢流堰式和埋管式[1]等，其中溢流堰式泄水口規(guī)范有流量計(jì)算方法，而埋管式泄水口則沒有相應(yīng)的計(jì)算方法，僅有工程上的經(jīng)驗(yàn)，一般一條船配備5～6根管。實(shí)際上，船舶生產(chǎn)流量相差很大，以產(chǎn)量3 500 m3/h絞吸船為例，施工流量為7 500～12 000 m3/h均屬于正常，且泄水口流量影響因素眾多，所以對泄水口流量進(jìn)行研究很有必要。

1 泄水口排水管道的水力計(jì)算及分析

根據(jù)泄水口排水管進(jìn)水端的水力條件，排水管可分為無壓管道和有壓管道兩種計(jì)算工況。

1.1 無壓圓管的水力計(jì)算

1.1.1 過水?dāng)嗝娴膸缀我?/p>

無壓圓管是指圓形斷面未被充滿的長管道。無壓圓管過水?dāng)嗝娴膸缀我匾妶D1[2]。

圖1 無壓圓管過水?dāng)嗝鎺缀我谾ig.1 Geometricelementsofnon-pressurepipecrosssection

1.1.2 無壓圓管的輸水能力計(jì)算

1）校核輸水能力

管道直徑d、管壁粗糙系數(shù)n及管線坡度i都已知，充滿度可通過測量得知，只需按已知a、d得出A、R，并計(jì)算出謝才系數(shù)：

代入基本公式，便可算出流量[3]：

2）輸水性能最佳充滿度分析

對于無壓管道（n、d、i一定），流量Q隨水深h變化。由圖2可見，當(dāng)時(shí)，達(dá)最大值，，此時(shí)管中流量超過滿管流時(shí)流量的8.7%。其中Q′為滿流時(shí)的流量[2]。

圖2 流量和流速隨水深的變化Fig.2 The flow and velocity changes with depth

1.2 有壓管的水力計(jì)算

1.2.1 自由出流

管道出口水流流入大氣中，水股四周都受到大氣壓強(qiáng)的作用，成為自由出流管道。管道的總水頭將全部消耗于管道的水頭損失和保持出口的動能[3]。

通過建立能量方程可得：

式中：H為管道出口斷面中心與水池水面的高差，稱為管道的水頭；∑ξ為管路中各局部水頭損失系數(shù)的總和。

1.2.2 淹沒出流

管道出口如果淹沒在水下，便稱淹沒出流。管道在淹沒出流的情況下，行近流速的上下游水位差z完全消耗于沿程損失及局部損失[4]。

1.3 非均勻流的水力計(jì)算

1.3.1 流量的計(jì)算

已知管線的水面線以及斷面尺寸、底坡等，估算排水管的流量，若排水管中的水流屬于非均勻流，應(yīng)按照非均勻流情況來處理，從而得到流量為[3]：

式中：zu、zd分別為上下游斷面水位；Au、Ad分別為上下游斷面面積；為上下游斷面平均流量模數(shù)；Δs為流段長度。

1.3.2 糙率的計(jì)算

同樣，根據(jù)滿寧公式可以推算粗糙系數(shù)的計(jì)算公式[3]：

1.3.3 水面線的試算

根據(jù)明渠恒定非均勻流逐段試算法計(jì)算水面線的基本公式[3]：

計(jì)算時(shí)可假定另一端斷面的水深，按照式（10）算得一個Δs，若Δs與已知的數(shù)值相等，則假定水深即為所求，若不等，需重新假設(shè)，直至算得的Δs與已知的數(shù)值相等為止。

2 工程實(shí)際應(yīng)用

某工程吹填區(qū)排水，上層布設(shè)800 mm管線，下層布設(shè)900 mm管線。進(jìn)水端淹沒至上層管中間位，高400 mm，底坡為0.002，水面線起始位置為上層管線的底部，出水端平均水面高200 mm，見圖3所示[5]。實(shí)際監(jiān)測，上層管流量為0.18 m3/s，下層管流量為0.9 m3/s。

2.1 上層排水管計(jì)算

2.1.1 輸水能力計(jì)算

圖3 排水管示意圖Fig.3 Schematic diagram of discharge outlet

上層圓管的水力條件為非均勻流，此工況可采用式（8）直接計(jì)算，已知進(jìn)出口的水位，可直接計(jì)算出流量Q=0.189 m3/s。

計(jì)算過程見表1。

表1 無壓圓管恒定非均勻流流量計(jì)算Table 1 Flow calculation of non-pressure pipe steady non-uniform flow

2.1.2 水面線試算

已知流量為0.26 m3/s，進(jìn)口水深400 mm，則管線中間位置（即s=12 m）的水深可通過式（10）進(jìn)行試算，通過不斷調(diào)節(jié)計(jì)算斷面水深數(shù)值，使得表中s的大小與實(shí)際長度s的大小一致，則此時(shí)的水深即為所求，見表2，該例題中h=254 mm。

表2 無壓圓管恒定非均勻流水面線試算Table 2 Water surface profile calculation of non-pressure pipe steady non-uniform flow

2.1.3 按照均勻流簡化考慮

如果上層管按照均勻流簡化考慮，根據(jù)式（5），計(jì)算水位400 mm、280 mm以及200 mm時(shí)的流量分別為0.349 m3/s、0.184 m3/s、0.096 m3/s，流速為1.4 m/s、1.2 m/s、1.0 m/s，計(jì)算過程見表3。可以看出，中間水位280 mm時(shí)的流量與采用非均勻流計(jì)算的結(jié)果很接近，由此可以看出，對于此類泄水口可簡化用均勻流的公式進(jìn)行計(jì)算，但計(jì)算水位不能采用進(jìn)口水位也不能采用出口水位，一般采取進(jìn)出口水位的中間值且偏低些。

表3 無壓圓管恒定均勻流流量計(jì)算Table 3 Flow calculation of non-pressure pipe steady uniform flow

如果要充分發(fā)揮管道的輸水能力，達(dá)到最大流量，根據(jù)輸水性能最佳充滿度分析，則充滿度應(yīng)為ah=0.95，即h=760 mm，也就是說上層排水管的底高程應(yīng)低于進(jìn)水端水面線0.76 m，此時(shí)排水管的輸水能力最大，Q=0.75 m3/s，v=1.52 m/s。因此在工程中，為了達(dá)到最大輸水能力，可根據(jù)最佳充滿度適當(dāng)調(diào)節(jié)管線底高程。

2.2 下層排水管輸水能力計(jì)算

2.2.1 淹沒出流

根據(jù)工程實(shí)例描述，出口為淹沒出流，見圖4，則根據(jù)式（7），上下游的水位差z=0.2 m，經(jīng)計(jì)算Q=0.93 m3/s，v=1.46 m/s，與實(shí)際監(jiān)測的流量相符。

圖4 下層管淹沒出流Fig.4 Submerged discharge of the lower pipe

2.2.2 自由出流

若下層排水管出水端為自由出流，見圖5，則按照有壓管道自由出流的計(jì)算公式（6）進(jìn)行計(jì)算。

H=0.85，沿程摩阻系數(shù)λ=0.012 5，∑ξ主要是進(jìn)口的局部損失系數(shù)0.5，代入式（6），經(jīng)計(jì)算Q=1.92 m3/s，v=3.0 m/s。

圖5 下層管自由出流Fig.5 Free discharge of the lower pipe

對比上述兩種工況，除出口邊界條件不同，進(jìn)口及管徑都一致，淹沒出流流量為0.93 m3/s，而自由出流流量為1.92 m3/s，即出口自由出流情況下輸水能力是淹沒出流的2倍，因此，在工程中為了增大泄量，出口端盡量采用自由出流的邊界條件[6]。

2.3 糙率的計(jì)算

如果已知輸水能力，利用式（9）可推算出圓管的糙率，在上述工況下，經(jīng)計(jì)算n=0.011，計(jì)算過程見表4。

表4 無壓圓管恒定非均勻流糙率計(jì)算Table 4 Roughness calculation of non-pressure pipe steady non-uniform flow

3 結(jié)語

本文分析了圓管型泄水口均勻流及非均勻流、有壓和無壓不同狀態(tài)下的水力參數(shù)計(jì)算公式，并結(jié)合工程實(shí)例對管線的輸水能力、水面線及糙率分別進(jìn)行了計(jì)算，從中可以看出，對于無壓圓管非均勻流可采用均勻流的公式進(jìn)行估算，但計(jì)算水位不能采用進(jìn)口水位也不能采用出口的水位，一般采取進(jìn)出口水位的中間值且偏低些。通過工程實(shí)例計(jì)算可知，有壓圓管自由出流的輸水能力遠(yuǎn)大于淹沒出流，工程中應(yīng)盡量避免采用淹沒出流的泄流方式。同時(shí)對無壓排水管輸水性能最佳充滿度進(jìn)行了分析，為排水管底高程的確定提供了技術(shù)支撐。

根據(jù)文中兩種情況得到的分析結(jié)果，現(xiàn)場只要獲得泥塘端水面高度、出口端水面高度、管長、流速，再加上溢流密度，即可獲得流失量。

[1]JTS 181-5—2012，疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 181-5—2012,Design code for dredging and reclamation works[S].

[2]全國勘察設(shè)計(jì)注冊工程師水利水電工程專業(yè)管理委員會，中國水利水電勘測設(shè)計(jì)協(xié)會.水利水電工程專業(yè)基礎(chǔ)知識[M].鄭州：黃河水利出版社，2007. The National Survey and Design Registered Engineer Water Conservancy and Hydropower Engineering Professional Management Committee,China Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Association.Basic knowledge of water conservancy and hydropower engineering[M].Zhengzhou:The Yellow River Water Conservancy Press,2007.

[3]吳持恭.水力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1982. WU Chi-gong.Hydraulics[M].Beijing:Higher Education Press, 1982.

[4]清華大學(xué)水力學(xué)教研室.水力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1965. Teaching and Research Section of Hydraulics,Tsinghua University. Hydraulics[M].Beijing:Higher Education Press,1965.

[5]絞吸挖泥船泥泵輸泥計(jì)算手冊[M].天津：天津市航浚科技服務(wù)有限公司，1996. Cutter suction dredger pump transport calculation manual[M]. Tianjin:Tianjin Hang Jun Technology Services Co.,Ltd.,1996.

[6]JTS 207—2012，疏浚與吹填工程施工規(guī)范[S]. JTS 207—2012，Construction code for dredging and reclamation works[S].

Calculation method for flow-off volume of underground discharge outlet

TIAN Hui-jing1,XU En-yue2,QIN Liang2
（1.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.,Ltd,Tianjin,300461,China; 2.CCCC Tianjin Dredging Company Ltd.,Tianjin,300461,China）

In view of the lack of flow-off volume calculation method on underground discharge outlet,we performed analysis on calculation formula of hydraulic parameters,including of the uniform flow and non-uniform flow at the circular tube discharge outlet,the submerged discharge and non-submerged discharge at the end of mud pot.Combined with the engineering examples,we calculated and analyzed the conveyance power of water,water surface curve,roughness,and optimal filling degree,put forward the calculation methods of submerged and non-submerged discharge.This paper has provided technical support for arranging discharge pipe and estimating flow-off volume.

underground discharge outlet;conveyance power of water;free discharge;submerged discharge;roughness

U616.1

A

2095-7874（2017）01-0008-04

10.7640/zggwjs201701002

2016-06-21

2016-09-12

國家科技支撐計(jì)劃課題項(xiàng)目（2014BAB16B03）

田會靜（1982— ），女，天津市人，碩士，高級工程師，水利水電工程專業(yè)，從事疏浚技術(shù)研究工作。E-mail:tiantian9804@163.com