小塔山水庫輸水管道穿河道泄水影響分析

孫云翰，徐 靜，蘇 凱，楊慶慶，蘇葉平

(1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2.揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007；3.江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225002)

1 工程背景

小塔山水庫位于江蘇省贛榆區西北部，坐落在青口河上游，是贛榆區重要的防洪、供水工程。水庫集水面積386km2，庫區面積約26.5km2，總庫容2.8×108m3，是一座以防洪為主，結合農業灌溉、城鎮工業生活供水和水產養殖等綜合利用的大(2)型水庫。

本工程主要任務是通過對主壩涵洞下洞首及出水口進行改造，將贛榆區生活用水取水口位置由原環嶺節制閘處上移至塔山水庫主涵洞，改明渠輸水為管道封閉輸水。

2 工程概況

新建輸水管道采用2根DN1600球墨鑄鐵管，并排布置，管道中心距3.0m，敷設于河底，經管線長度680m后，穿堤接入塔山干渠西南岸檢查井，輸水管道線路總長約900m。總體線路布置如圖1所示。

圖1 莒城湖水廠取水口新建工程線路布置示意圖

管道縱向布置，主壩涵洞壓力箱處管道中心高程24.20m，經i=0.415坡度使管底落于河底基巖面層，至土基段，經i=0.0262坡度埋入河底1.50m以下，后按i=0.0010接入檢查井，檢查井處管道中心高程約為17.70m。管道平面布置，管道基本沿塔山干渠河道中心線布置，河道轉彎處通過3道11.25°彎頭過渡，至檢查井上游40m處通過45°彎頭由河底轉向至河道西南岸方向，彎頭處設置鎮墩。CS02、CS05管道布置典型斷面如圖2—3所示。

3 泄水影響評價

3.1 計算工況

塔總干渠現狀為灌溉與飲用供水共用河道，灌溉期時流量最大，為25m3/s。取水口改造后，干渠不參與行洪，飲用水經過管道輸送，干渠內正常無水，灌溉期流量仍按25m3/s考慮。

3.2 流態計算

3.2.1 計算概況

該河道灌溉涵洞出口流量為25m3/s，為研究該河道灌溉涵洞出口水流在河道流動狀況，須對該河道水流流動進行水動力計算分析。根據該工程河道布置情況，對河道邊坡進行簡化，按照地形圖河道走勢以1∶1比例建立該河道區域水流三維數值模型。

圖2 CS02斷面管道布置圖

圖3 CS05斷面管道布置圖

3.2.2 控制方程

控制方程采用三維雷諾時均N-S方程來水流不可壓縮湍流流動，方程式如下:

(1)

雷諾時均N-S方程：

(2)

3.2.3 平面流態、流速分布

該河道平面流態、流速分布詳如圖4—9所示(選取CS1～CS3斷面進行分析)。

圖4 流態分布云圖

圖5 局部流態分布云圖

圖6 局部流態分布云圖

圖4—6計算結果表明，小塔山水庫灌溉涵洞出口水流在斷面CS1～CS3區域形成大尺度回流，水流主流沿河道右側邊坡流動。

圖7 流速分布云圖

圖8 局部流速分布云圖

圖9 局部流速分布云圖

圖7—9計算結果表明，小塔山水庫灌溉涵洞出口水流在斷面CS1～CS3區域大尺度回流流速基本在0.1～0.4m/s；水流主流流速在1.3～1.6m/s，其中1.6m/s的流速分布范圍很小。

3.2.4 斷面流速分布

斷面CS1～CS6流速分布詳見圖10—15。

圖10 CS1斷面流速分布云圖

圖11 CS2斷面流速分布云圖

圖12 CS3斷面流速分布云圖

圖13 CS4斷面流速分布云圖

圖14 CS5斷面流速分布云圖

計算結果表明，出口水流在CS1～CS4斷面，由于水流回流等不良流態存在，CS1～CS4斷面流速在0.1～1.3m/s之間，流速分布不均勻。水流在斷面CS5～CS12開始均勻擴散，流速降低，水流較為均勻。

3.3 壅水分析

根據河道測量斷面和地址勘探成果，涵洞出水口下游大約200m范圍內巖基高程較高，管道施工難以采用直埋的方式，故管道敷設于巖基上，采用素混凝土包裹，以滿足埋置深度要求。為不影響灌溉出水，在灌溉涵洞出水口側下游左側河道采用8%水泥土回填至現狀地面高程，另外一側采用15cm厚C25素混凝土護底。CS04斷面以下均采用直接開挖埋管的形式施工。

涵洞出水口下游約200m范圍內工程的建設占據了部分河道斷面，灌溉時會產生阻水影響，河道水力條件將會產生一定的變化，局部斷面過水面積將會減少，造成水面線抬高。

水面線計算如下。

3.3.1 基本計算公式

(3)

3.3.2 動能修正系數α的選定

給定每個斷面的動能修正系數α

3.3.3 沿程水頭損失計算

沿程水頭損失hf=(J1+J2)/2×ΔL

(4)

(5)

(6)

式中，ΔL—分段長；(J1+J2)/2—分段的平均水力坡度。

3.3.4 擴散或收縮段局部水頭損失的計算

hj=ξ擴散×(v12-v22)/2g

(7)

式中，ξ擴散—擴散或收縮段局部水頭損失的計算系數。

3.3.5 橋墩或建筑物的局部水頭損失的計算

hj=ξ建筑×v12/2g

(8)

式中，ξ建筑—橋墩或建筑物的局部水頭損失的計算系數。

3.3.6 彎道的局部水頭損失的計算

將彎道轉化為直道，轉化后長度和斷面不變，只采用等價的糙率nr即可。

nr=n×[1+3/4×(b/r)0.5]0.5

(9)

式中，b—河寬;r—河道轉彎半徑。

3.3.7 河道糙率參數

平原河流清潔、順直、無沙灘和深潭，糙率取正常值0.030；水深較淺、平面上回流區較多，糙率取正常值0.048。

經分析計算，原河道、新建河道水面線示意圖見圖16—17。當灌溉涵洞25m3/s進入施工完建后的河道時，水面線計算結果表明，最大雍水發生在CS01斷面，新建CS01斷面比原CS01斷面雍水高為0.066m。主壩涵洞下游200m范圍內，塔總干渠兩側堤頂高程均在30.0m以上，高于“抬高后水位+安全超高+波浪爬高”，故現狀堤頂高程滿足完工后灌溉期水位抬高的擋洪要求。

3.4 沖刷計算

涵洞出水口下游大約200m范圍內巖基高程較高，管道施工難以采用直埋的方式，故管道敷設于巖基上，采用素混凝土包裹，以滿足埋置深度要求，其余位置管道均直埋于河底，最小埋置深度為1.5m，施工結束后恢復現狀河床地貌。

根據工程規劃，工程建成后，飲用水不再通過塔總干渠輸送，非灌溉期塔總干渠為干涸河道；灌溉期時，灌溉流量為25m3/s，水深約1.5m。本次管道基本埋設于塔總干渠渠底，基本不影響塔總干渠過水斷面，基本不會由于工程的實施引起渠道沖刷。

根據水流計算結果，涵洞下游出口段渠道內水流流態、流速受地形、地貌影響，斷面流速分部不均，存在一定回流，主流流速在1.3～1.6m/s，根據地質資料，該段河底除20～30cm后淤泥外河床為④層全風化片麻巖河床，工程力學好，抗沖刷性能強。涵洞下游出口約400m以后水流開始均勻擴散，流速降低，水流較為均勻，水流流速基本在0.5～0.8m/s。該范圍內河底出去淤泥層外河床位于②層黏土，根據地勘報告，凝聚力C=51.3kPa=0.513kg/cm2，考慮C的離散性，設計取C0=C/3=0.171kg/cm2，河床不沖流速按列維公式計算：

圖16 原河道水面線示意圖(x方向1∶2000，y方向1∶200，單位：cm)

圖17 新建河道水面線示意圖(x方向1∶2000，y方向1∶200，單位：cm)

(10)

按式(10)計算得該段河床不沖流速為1.18m/s，滿足抗沖要求。

4 結語

(1)水流存在不良流態，流速分布不均勻，往后開始均勻擴散，流速降低，水流較為均勻。

(2)通過水面線計算，現狀堤頂高程滿足完工后灌溉期水位抬高的擋洪要求。

(3)工程的實施不會引起渠道沖刷。

(4)本工程對小塔山水庫防洪運行無影響，對塔山干渠河勢穩定無影響。

(5)鑒于取水口及管道安全與下游城區人們飲用水安全密切相關，工程建成后建議定期對閥門及管道附件的檢查維護，對管線進行維護。