分級臥管式放水建筑物水力計算及體型設計

張 鐸，黨宏祖

1.甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000

分級臥管式分層放水建筑物是二十世紀八十年代之前我國中小型，特別是小型以農田灌溉為主要任務的水庫中，較為普遍采用的放水型式，應用較為廣泛，采取在大壩壩體或兩岸岸坡沿坡面布設傾斜式臥管，臥管結構上部在水庫興利庫容內死水位到正常蓄水位變動范圍垂直或水平開設多級臺階型系列進水孔，可引取表層高溫水。分級臥管式分層放水結構具有不同庫水位下均可保證有效放水，保證率高，庫水位升降對放水影響微小，并可兼顧水庫泄洪與放空檢修，無需進水塔與工作橋，可利用磚石等當地材料建造，技術要求較低，施工簡便快捷，放水運行管理簡易等優點。同時，在多泥砂及各類漂浮物較多河道中的水庫，臥管管身及放水孔易遭泥砂與漂浮物堵塞，管身結構存在易漏水、維護與檢修較為困難等問題。

一、分級臥管式分層放水建筑物構成及布置

小型水庫分級臥管式分層放水建筑物通常由傾斜式臥管、多級系列放水孔（取水孔）、孔口啟閉設施、臥管底部消能室（消力井），以及壩內埋管（涵洞）或庫內兩岸放水隧洞等構成，臥管管身主要采用砌石、混凝土或鋼筋混凝土結構。臥管與壩內埋管（涵洞）或庫內兩岸放水隧洞總體呈不小于90°銜接布置。臥管管身頂部一般應高于水庫校核洪水位1.0m以上或與大壩壩頂齊平，并設置通氣孔，底部至水庫死水位以下1.0～2.0m，并依據壩內埋管（涵洞）或兩岸放水隧洞洞底高程確定。水庫放水或泄水時，按照庫水位升降自上至下逐級打開放水孔，水流自放水孔進入臥管至底部消能室消能，再經壩內埋管（涵洞）或兩岸放水隧洞排放至庫外與灌溉渠系及供水系統相接，或排泄至下游河道。分級臥管式分層放水建筑物典型布置見圖1。

圖1 分級臥管式分層放水建筑物典型布置

二、臥管水力計算及分析

小型水庫分級臥管式分層放水建筑物中臥管段受水庫庫水位升降及多級分層進水影響，水力及運行工況復雜，通過相應水力計算為其體型設計提供技術依據，水力計算內容主要包括管身放水孔、內斷面及消能室三部分。

（一）放水孔孔徑

管身放水孔布置型式有兩種，垂直進水型式孔口布設于管身各級臺階平臺面，放水流量僅隨庫水位的升降而變化，水力工況相對較為簡單；水平進水型式孔口布設于管身各級臺階兩側面，隨庫水位升降，放水在壓力孔流與無壓明流之間變化，水力工況相對復雜。放水孔孔徑決定臥管放水能力，重點對水力工況相對復雜的水平型放水孔，分為有壓及無壓兩個階段與工況，并對單孔及多孔聯合進流工況進行分析，垂直型放水孔可參照壓力進流工況分析計算。

1.壓力進流工況。當放水孔被完全淹沒時，孔口處于壓力進流工況，采用壓力孔流水力學公式計算其進流量，計算式[1]如下：

式中： Q ——孔口進流量，m3/s；

μ——流量系數；

A——放水孔過水斷面面積，m2；

H1——放水孔孔口中心高程以上水頭，m；

σS——淹沒系數。

2.無壓進流工況。當放水孔未被淹沒時，孔口處于無壓明流工況，采用寬頂堰水力學計算公式計算其進流量，計算式[1]如下：

式中： Q——孔口進流量，m3/s；

σS——淹沒系數；

σc——側收縮系數；

m——流量系數；

b——放水孔孔寬，矩型斷面取凈寬，圓型斷面取孔口對應庫水位的過水水面1/2寬度，m；

H2——放水孔孔底高程以上水頭，m。

3.單孔典型Q～H關系曲線。依據水力學計算成果，可得出單孔放水流量的變化過程。圖2為某分級臥管式分層放水建筑物單孔放水流量Q隨庫水位H變化典型關系曲線。無壓進流工況的放水流量相對于壓力進流工況，有較大幅度的下降。

（二）臥管內斷面

水流自放水孔進入臥管內部匯總下泄至底部，以不小于90°轉向至消能室消能，臥管內斷面尺寸按管身多級放水孔聯合運行時的最大總進流量控制確定。臥管為陡坡布置，管內水流流速較高，應考慮一定的摻氣水深。一般按不含氣水流，并將管身水力糙率適當加大的方法計算摻氣水深，使其留有一定安全余度。管身水力糙率增大倍數隨坡比而變，可參考表1取值[2]。

表1 臥管底坡坡度對應水力糙率增大倍數

臥管內斷面尺寸采用明渠恒定均勻流水力學計算公式，按總放水（即設計）流量通過反復試算確定。水流經放水孔孔口跌入管身內，水柱躍起高度一般取正常水深的2.5～3.5倍。管身同一臺階布置多個進水孔時，臥管總放水流量按孔數等量疊加。臥管放流量計算式如下：

式中： Q ——臥管總放水（即設計）流量，m3/s；

C——謝才系數；

A——管身過水斷面面積，m2；

R——水力半徑，m；

i——管身坡比。

三、臥管布置及結構體型設計

小型水庫分級臥管式分層放水建筑物中臥管結構體型設計，應注重考慮以下方面的主要因素：

（一）臥管與放水孔布置

主要根據放水流量大小及臥管管身結構規模，合理確定臥管條數，以及管身放水孔進水型式與數量。管身垂直與水平兩種進水型式放水孔各有優缺點，垂直型放水孔單臺階為單孔，增大放水流量時需加大管身結構尺寸，進水流量相對較小；水平型放水孔單臺階可設置為2孔，管身結構工程量無需增加，進水流量相對較大。根據放水流量的大小，以及管身結構的合理性，也可采用垂直型與水平型兩種放水孔組合的方式。通常放水流量較小時，采用單條臥管及垂直型放水單孔；放水流量較大時，可布置2～3條臥管，并采用水平型放水孔或兩種放水孔組合型式2～3孔，以避免孔徑過大，造成啟閉困難及臺階平臺尺寸偏大。對重要與規模較大的分級臥管式分層放水建筑物，必要時需通過工程技術經濟分析比較確定。

臥管管身布置坡比一般按1/2.0～1/4.0，并根據大壩壩坡，以及庫內兩岸岸坡天然地形確定，避免管槽開挖量過大。一般控制單臺階高度為0.3～0.6m，放水孔沿管身縱向垂向中心距為0.3～0.8m，孔徑為0.2～0.6m較為合理[3]。管身兩側布設通道、欄桿及路燈等設施，方便運行管理與維護檢修。

（二）管身基礎

臥管段長度較大，為保持整體性，防止產生不均勻沉陷變形，管身應置于均勻且堅實基礎上，軟基須采取換基等方式有效處理。

（三）管身結構與斷面

各級放水孔臺階平臺高差與寬度之比采用與臥管管身坡比相同，使整體體形協調與結構尺寸合理適中，注重各級臺階放水孔平臺的寬度與長度、高度與高差、結構厚度，以及平臺頂面距兩側向水平型放水孔中心的高度等設計取值，主要根據放水孔水力學計算成果與孔徑大小、各級平臺運行管理與維護檢修要求，以及管身結構強度需要等因素分析確定，并全面優化設計參數。

在管身放水孔布置及其體型設計時，應通過調整孔口位置及高程，使孔口盡可能處于有壓進流工況運行，同時為保證水流跌入后躍起水柱不致淹沒孔口，管身凈高通常采用水深的3.0～4.0倍，以盡可能增大進流量。管身典型內斷面見圖2。

圖2 臥管管身典型內斷面

管身應分段設置環向結構縫，砌石結構縫間距5.0m，混凝土或鋼筋混凝土結構縫間距10.0m，縫內布設止水帶。管身分縫處底部兩側，設置抗滑齒墻，以增加整體穩定性。

四、結語

分級臥管式分層放水結構為小型水庫放水、引取水及泄水建筑物的型式之一，是新建、除險加固及改擴建小型水庫的重要工程技術措施與設計方案。分級臥管式分層放水建筑物設計無相應技術規程與規范可依據，臥管受水庫庫水位升降及多級分層進水影響，水力及運行工況復雜，針對工程實踐中分級臥管式分層放水建筑物相關水力及其結構技術特性的分析探索，對臥管管身的關鍵部分放水孔、內斷面及消能室尺寸確定提出相應的水力計算方法，同時提出建筑物及其結構布置與體型設計需注重考慮的主要因素，并列舉工程實際案例分析，可為相應工程設計參考借鑒。臥管水力特性數值模擬與試驗驗證、放水流量的準確度控制與提升，以及運行與管理自動化監控等問題，仍有待進一步分析研究。