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上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，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。

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。

二、臥管水力計算及分析

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。一是壓力進流工況。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。

二是無壓進流工況。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。

三是單孔典型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。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。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。[3]

（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

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。