水庫除險加固中鋼圍堰導流管的應用研究

李文龍

(山東臨沂水利工程總公司，山東 臨沂 276000)

0 引 言

在以往針對水庫除險加固的研究中,主要采用虹吸放水管加固水庫,但此種方法在應用中存在加固平均流速低的問題。為此,本文研究水庫除險加固中鋼圍堰導流管的應用,致力于通過鋼圍堰導流管提高水庫除險加固平均流速。

1 劃分鋼圍堰導流管管徑在水庫除險加固中適用范圍

在水庫除險加固中鋼圍堰導流管的應用研究中,必須預先掌握不同鋼圍堰導流管管徑在水庫除險加固中適用范圍,確保鋼圍堰導流管管徑在水庫除險加固中應用的可行性[1]。本文采用計算鋼圍堰導流管水力的方式,選擇與水庫除險最大洪水流量相匹配的鋼圍堰導流管管徑。設鋼圍堰導流管水力的計算表達式為Q,可得公式(1)。

(1)

式中：μ為水力流量系數(shù);c為鋼圍堰導流管水力流量損失系數(shù),通常情況下取值為0.55;A為鋼圍堰導流管橫截面面積;g為鋼圍堰導流管自由出流下的管道水頭;h為鋼圍堰導流管淹沒出流下的管道水頭。通過公式(1),計算得出鋼圍堰導流管水力,以此劃分鋼圍堰導流管管徑在水庫除險加固中的適用范圍,見表1。

結合表1所示,選擇適用的鋼圍堰導流管加固水庫除險。設計的基于鋼圍堰導流管的水庫除險加固方法具體內容,如下文所述。

2 基于鋼圍堰導流管的水庫除險加固方法

在通過計算得出鋼圍堰導流管水力,明確鋼圍堰導流管管徑在水庫除險加固中適用范圍的基礎上,基于鋼圍堰導流管設計水庫除險加固方法。基于鋼圍堰導流管的水庫除險加固流程圖,如圖1所示。

圖1 基于鋼圍堰導流管的水庫除險加固流程圖

結合圖1所示,本文針對圖中5步主要流程加以詳細研究,具體如下。

2.1 確定鋼圍堰導流管在水庫除險加固中安裝位置

在應用鋼圍堰導流管加固水庫除險過程中,必須確定鋼圍堰導流管在水庫除險加固中安裝位置。因鋼圍堰導流管對架體的側壓力大,為增加架體的整體穩(wěn)定性,將鋼圍堰導流管與水庫溢洪道位置兩側結構柱進行剛性連接[2]。為達到加固效果,鋼圍堰導流管在安裝過程中采用雙層木膠合板,上下層面板用鐵釘固定,保證其安裝位置適用于水庫除險的具體情況。通過安裝鋼圍堰導流管提高水庫除險加固的抗側剛度,還可以結合剛度較大的外套筒擬制中心直接與支撐進行連接。

2.2 計算水庫除險加固中鋼圍堰導流管導流能力

確定鋼圍堰導流管在水庫除險加固中安裝位置的基礎上,計算水庫除險加固中鋼圍堰導流管導流能力。鋼圍堰導流管導流能力作為水庫除險加固中最關鍵的核心指標,能夠直接決定水庫除險加固中鋼圍堰導流管的應用效果。本文考慮到鋼圍堰導流管在不同狀態(tài)下的導流能力,分別為:自由出流、過度出流以及淹沒出流。設水庫除險加固中鋼圍堰導流管導流能力的表達式為N,可得公式(2)。

(2)

式中:m為鋼圍堰導流管在水庫除險加固中自由出流的流量系數(shù);p為水庫圍堰上游水深;B為水庫圍堰的寬度;δ為鋼圍堰導流管在水庫除險加固中過度出流的流量系數(shù);φ為鋼圍堰導流管在水庫除險加固中淹沒出流的流量系數(shù)。通過公式(2),計算得出水庫除險加固中鋼圍堰導流管導流能力。以此為判據(jù),為下文設定鋼圍堰導流管在水庫除險加固中進、出口高程提供理論依據(jù)。

2.3 設定鋼圍堰導流管的進、出口高程

根據(jù)計算得出的水庫除險加固中鋼圍堰導流管導流能力,合理設定鋼圍堰導流管在水庫除險加固中進、出口高程。在設定過程中,必須保證鋼圍堰導流管在水庫除險加固中的水口底部完全淹沒在死水位下,保證鋼圍堰導流管的潛水進口裝置處于密封狀態(tài),不會出現(xiàn)進水的現(xiàn)象。為保證鋼圍堰導流管與地庫能夠保持一定的安全距離,還需要預留出1 m的安全距離。設定鋼圍堰導流管在水庫除險加固中進、出口高程最核心的目的就是保證鋼圍堰導流管在加固過程中能夠正常導流供水,尤其是在直角、轉彎處不出現(xiàn)擁塞,進而加快鋼圍堰導流管加固后水庫斷面平均流速,達到水庫除險加固的目的。

2.4 復核鋼圍堰導流管的高程真空度

在完成鋼圍堰導流管在水庫除險加固中進、出口高程設定后,還需要進一步復核鋼圍堰導流管在水庫除險加固中高程真空度,保證鋼圍堰導流管在水庫除險加固中的安全性,不出現(xiàn)氣體液化的現(xiàn)象[3]。結合以往研究表明,鋼圍堰導流管在水庫除險加固中高程真空度與行進流速有關,基于此可將鋼圍堰導流管在水庫除險加固中水頭損失代入能量方程,判斷其高程真空度。設此過程的目標函數(shù)為v,則有公式(3)。

(3)

式中:λ為水庫除險加固中死水位自由面高程;l為水庫除險加固中死水位至鋼圍堰導流管的高度差;d為鋼圍堰導流管管頂軸線長度。通過公式(3),得出鋼圍堰導流管在水庫除險加固中高程真空度,確保v的取值在5～8,滿足鋼圍堰導流管在水庫除險加固中高程真空度的復核條件。

2.5 實現(xiàn)基于鋼圍堰導流管的水庫除險加固

在鋼圍堰導流管在水庫除險加固中高程真空度通過復核后,考慮到鋼圍堰導流管結構的梁板為普通截面,總體屬于高度超高但荷載不大的高支模施工。因鋼圍堰導流管結構在安裝過程中對水庫架體的側壓力大,為增加水庫除險加固架體的整體穩(wěn)定性,將水庫除險加固架體與鋼圍堰導流管結構兩側結構柱進行剛性連接。基于鋼圍堰導流管的水庫除險加固平面圖,如圖2所示。

圖2 基于鋼圍堰導流管的水庫除險加固平面圖

結合圖2所示,為基于鋼圍堰導流管的水庫除險加固平面圖。通過圖2可知,鋼圍堰導流管采用環(huán)抱形式與架體連為一個整體。針對水庫除險加固中鋼圍堰導流管的應用特點與難點,最終確定選用鍍鋅管作為管材,并配備離心泵,實時調節(jié)水庫除險加固中鋼圍堰導流管導流量,增加水庫除險加固架體的整體穩(wěn)定性。至此,完成基于鋼圍堰導流管的水庫除險加固,實現(xiàn)水庫除險加固中鋼圍堰導流管的應用研究。

3 實例分析

3.1 實驗準備

為構建實例分析,實驗對象選取某水庫,工程內容為水庫除險加固。水庫除險加固施工項目及要求,見表2。

表2 水庫除險加固施工項目及要求

結合表2所示,本次實例分析選取的對比指標為水庫除險加固斷面平均流速,加固斷面平均流速越高代表此方法下的水庫除險效果越好。首先,使用本文設計方法基于鋼圍堰導流管進行水庫除險加固,通過核查工具Qacenter測得其加固斷面平均流速,設置為實驗組。再使用傳統(tǒng)方法基于鋼圍堰導流管進行水庫除險加固,同樣通過核查工具Qacenter測得其加固斷面平均流速,設置為對照組。為避免偶然現(xiàn)象的出現(xiàn),在此次的實例分析中,共進行10次實驗。針對核查工具QAcenter測得的加固斷面平均流速,記錄實驗結果。

3.2 實驗結果分析與結論

根據(jù)上述設計的實驗步驟,采集10組實驗數(shù)據(jù),將兩種方法下的加固斷面平均流速進行對比,加固斷面平均流速結果見表3。

表3 加固斷面平均流速對比

通過表3可得出如下的結論:本文設計的加固方法水庫斷面平均流速明顯高于對照組,可以實現(xiàn)水庫除險加固,具有現(xiàn)實推廣價值。

4 結束語

通過水庫除險加固中鋼圍堰導流管的應用研究,能夠取得一定的研究成果,解決傳統(tǒng)水庫除險加固中存在的問題。由此可見,本文設計的方法是具有現(xiàn)實意義的,能夠指導水庫除險加固方法優(yōu)化。在后期的發(fā)展中,應加大鋼圍堰導流管在水庫除險加固中的應用力度。截至目前,國內外針對水庫除險加固中鋼圍堰導流管的應用研究仍存在一些問題,在日后的研究中還需要進一步對鋼圍堰導流管的優(yōu)化設計提出深入研究,為提高鋼圍堰導流管的綜合性能提供參考。本文存在的不足主要在于,沒有針對水庫除險加固中鋼圍堰導流管應用的注意事項進行深入研究,在之后的研究中可以適當補足,進而促進鋼圍堰導流管在水庫除險加固中更好地應用發(fā)展。