破山洞水庫(kù)輸水洞修復(fù)工程正虹吸管計(jì)算與分析

程 雪

(遼寧省綏中縣大中型水庫(kù)移民后期扶持工作辦公室，遼寧 綏中125200)

1 工程概況

破山洞水庫(kù)位于遼寧省葫蘆島市綏中縣西甸子鎮(zhèn)，水庫(kù)由大壩(主壩、副壩)、溢洪道、輸水洞等主要建筑物組成，是一座以防洪、灌溉為主，養(yǎng)魚為輔的小(2)型水庫(kù)。壩址地理位置在E119°52′14″，N40°10′50″處，屬于強(qiáng)流河流域。

水庫(kù)控制面積2.0 km2，壩址以上河長(zhǎng)2.2 km，河道平均比降31.36‰，水庫(kù)在遼寧省水文分區(qū)中屬Ⅵ2水文分區(qū)。

2 輸水洞處理方案

2013 年8 月受強(qiáng)降水影響，破山洞水庫(kù)原輸水洞洞體上部壩體出現(xiàn)塌陷情況，輸水洞放水時(shí)壩體土料隨著水流排出，嚴(yán)重威脅壩體安全。在緊急時(shí)刻，綏中縣水利局立即向遼寧省水利廳供水局報(bào)告，供水局馬上派領(lǐng)導(dǎo)趕赴現(xiàn)場(chǎng)，并聘請(qǐng)水利廳有關(guān)專家對(duì)輸水洞的險(xiǎn)情進(jìn)行了分析并研究了輸水洞處理方案。

為恢復(fù)輸水洞功能，初步擬定兩種加固方案:

1)方案一:將原有輸水洞洞體開(kāi)挖后，重新埋設(shè)混凝土承插管。

優(yōu)點(diǎn):不改變?cè)休斔葱问郊奥肪€，運(yùn)行管理較方便。

缺點(diǎn):其施工方法是對(duì)壩體進(jìn)行大開(kāi)挖，埋涵管后進(jìn)行土方回填，這樣不但工期長(zhǎng)，投資大，而且進(jìn)行管理方面也有欠缺:①出水量不能有效控制，會(huì)造成浪費(fèi);②在斜管上放、堵水即不方便，也不安全;③新回填土方與老壩體土方存在沉陷差，容易出現(xiàn)土方結(jié)合不好，壩體出現(xiàn)不均勻沉陷，產(chǎn)生裂縫且破壞后難以維修等現(xiàn)象。

2)方案二:采用正虹吸形式通過(guò)輸水管路騰空庫(kù)容，進(jìn)口水面高程為95.0 m，下游出水管中心線高程為93.20 m，出水池采用2 級(jí)消能，上下游最小水位差為1.8 m。

優(yōu)點(diǎn):采用正虹吸管輸水則很好地解決了這些問(wèn)題，虹吸管技術(shù)相比傳統(tǒng)的破壩修復(fù)涵管工藝，具有造價(jià)低，施工期短，使用靈活，管理方便等特點(diǎn)［1-3］。

綜合上述比較，此次輸水洞加固方案采用方案二，具體計(jì)算及工程布置如下。

3 水利計(jì)算分析

3.1 安裝高度確定

根據(jù)破山洞水庫(kù)校核水位為101 m高程和壩頂高程103.58 m，以勉破壞原壩內(nèi)黏土心墻，故確定虹吸管安裝高程為102 m。

3.2 管徑確定

由于破山洞水庫(kù)沒(méi)有灌溉要求，虹吸管主要用于度汛前騰空庫(kù)容，根據(jù)市場(chǎng)無(wú)縫鋼管的型號(hào)以及出水量的要求，選定鋼管直徑為DN377m 無(wú)縫鋼管，管接縫采用焊接，壁厚8 mm。

3.3 虹吸管輸水能力計(jì)算

虹吸管長(zhǎng)度一般不大，故應(yīng)按短管計(jì)算，本工程管道出口為自由出流。當(dāng)不計(jì)行近流速影響時(shí)，可直接采用公式:

1)計(jì)算流量。

先確定λ 值，用曼寧公式:

2)計(jì)算C 值。

對(duì)于鋼管n=0.011，則R=A/X，

沿程阻力系數(shù)λ=8g/c2=0.02。

水頭損失系數(shù)計(jì)算表見(jiàn)表1(其中彎管ξ 根據(jù)《水利學(xué)》局部水頭損失表)

表1 水頭損失系數(shù)計(jì)算表

通過(guò)計(jì)算虹吸管平均出水量為0.279 m3/s，24 h能排水2.4 萬(wàn)m3。

3.4 虹吸管的安裝高程復(fù)核計(jì)算

虹吸管中最大真空一般發(fā)生在管子最高位置。即發(fā)生在外坡堤頂彎頭前B 斷面處，具體分析如下:

以水庫(kù)上游水位為基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)面至頂頂彎管中心線高差為Zs，對(duì)其基準(zhǔn)面斷面及外坡堤頂彎頭前B 斷面列能量方程:

式中:LB為從虹吸管進(jìn)口至B 斷面的管長(zhǎng);ΣξB為從虹吸管進(jìn)口到B 斷面的水頭損失系數(shù)之和。

若要求管內(nèi)真空值不大于某允許值，即(Pa－PB)/r ≤hv。

式中hv為允許真空值，hv=8 m，

式中:V=Q/A，

經(jīng)計(jì)算確定安裝高程為102 m。詳細(xì)計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 輸水洞安裝高程復(fù)核計(jì)算表

4 工程設(shè)計(jì)分析

4.1 虹吸管工程設(shè)計(jì)

虹吸管布設(shè)在原輸水洞右側(cè)，虹吸管采用DN377 mm無(wú)縫鋼管，焊接形式連接，壁厚8 mm。鋼管沿上下游壩坡架設(shè)，在接縫處設(shè)漿砌石鎮(zhèn)墩，壩頂處設(shè)2BV—5110 型真空泵一臺(tái)，架設(shè)低壓線路300m，進(jìn)水口高程為95.00 m，出水口管中心線高程為93.20 m，出水口安裝渦輪傳動(dòng)顯示開(kāi)關(guān)，出水口處設(shè)消能池，消能池長(zhǎng)4 m和7 m兩級(jí)。消能池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。進(jìn)水口混凝土墻主鋼筋采用Ⅱ級(jí)鋼直徑為Φ18@200 布設(shè)，副筋采用Ⅱ級(jí)鋼直徑為Φ8@250，邊墻厚30 cm，底板厚30 cm，底板鋼筋采用Ⅱ級(jí)鋼直徑為Φ10@250 布設(shè)雙層;出水口消能池鋼筋采用Ⅱ級(jí)鋼直徑為Φ10@200。壩頂處新建2.5×2.5 m泵房一座［4-6］。

4.2 原沉陷部位處理

對(duì)壩體原沉陷部位進(jìn)行不合格土挖除，用黃土填筑并夯實(shí)，恢復(fù)原干砌石護(hù)坡。

5 工程投資

破山洞水庫(kù)規(guī)模為小(2)型水庫(kù)，工程等別為Ⅴ等，主要永久建筑物大壩、溢洪道、輸水洞按5 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按5 級(jí)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。破山洞水庫(kù)輸水洞水毀修復(fù)工程總投資29.03 萬(wàn)元。其中:進(jìn)場(chǎng)費(fèi)1.00 萬(wàn)元，原輸水洞洞口封堵0.84 萬(wàn)元，沉陷處處理1.45 萬(wàn)元，土建工程6.90 萬(wàn)元，機(jī)電設(shè)備及金屬安裝14.20 萬(wàn)元，臨時(shí)設(shè)施費(fèi)用2.00 萬(wàn)元，零星工程費(fèi)2.64 萬(wàn)元。

6 結(jié) 語(yǔ)

破山洞水庫(kù)的輸水洞水毀修復(fù)工程采用正虹吸管輸水則很好地解決了工期長(zhǎng)，投資大，水量不能有效控制，堵水即不方便，也不安全等問(wèn)題，而且采用虹吸管技術(shù)相比傳統(tǒng)的破壩修復(fù)涵管工藝，具有造價(jià)低，施工期短，使用靈活，管理方便等特點(diǎn)。實(shí)踐證明虹吸管可以徹底消除小型水庫(kù)土壩放水涵管的隱患，縮短工期，節(jié)約投資［7-9］。

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