1. 甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司 甘肃兰州 730030；中国市政工程西北设计研究院有限公司 甘肃兰州 730000
摘要：分级卧管式放水建筑物是小型水库的重要组成部分，卧管因库水位升降及多级分层进水影响，水力及运行工况复杂，无相应技术规范可依据，为解决工程设计中水力计算及其结构体型问题，针对工程实践中分级卧管式放水建筑物相关水力及其结构技术特性的分析探索，对卧管管身的关键部分放水孔、内断面及消能室尺寸确定提出水力计算方法，并提出建筑物及其结构布置与体型设计需注重考虑的主要因素，可为相应工程设计参考借鉴。
关键词：分级卧管；水力工况；水力学；体型；设计
Hydraulic calculation and shape design of the graded lie tube drain building
ZHANG Duo1，DANG Hong-zu2
（1.Gansu Ganlan Survey and Design Institute Co.，Ltd ofWater Resources and Hydropower，Lanzhou 730030，China；
2. China Northwest Design Institute Co.，Ltd of Municipal Engineering，Lanzhou 730000，China）
Abstract：Graded lie on the water tube type building is an important part of small reservoirs，horizontal pipe for water lifting and multi-stage stratified water，hydraulic and operation condition is complex，there is no corresponding technical specification，to solve the hydraulic calculation and its structure size problems in engineering design，aiming at graded lie on the water pipe in engineering practice the paper analyses the characteristics of the hydraulic and its related structure technology to explore，to lie the tube body is a key part of the plughole，cross section and energy dissipation in room size to determine the hydraulic calculation method is put forward，and put forward the building and structure arrangement and size design should pay attention to consider the main factor，can be used for the corresponding engineering design reference.
Key words：Graded lie tube；Hydraulic conditions；Hydraulics；Size；Design
1、引言
分级卧管式分层放水建筑物是上世纪八十年代之前我国中小型，特别是小型以农田灌溉为主要任务的水库中，较为普遍采用的放水型式，应用较为广泛，采取在大坝坝体或两岸岸坡沿坡面布设倾斜式卧管，卧管结构上部在水库兴利库容内死水位～正常蓄水位变动范围垂直或水平开设多级台阶型系列进水孔，可引取表层高温水。分级卧管式分层放水结构具有不同库水位下均可保证有效放水，保证率高，库水位升降对放水影响微小，并可兼顾水库泄洪与放空检修，无需进水塔与工作桥，可利用砖石等当地材料建造，技术要求较低，施工简便快捷，放水运行管理简易等优点。同时，在多泥砂及各类漂浮物较多河道中的水库，卧管管身及放水孔易遭泥砂与漂浮物堵塞，管身结构存在易漏水、维护与检修较为困难等问题。
近三十多年来，随着我国国民经济实力与水利科技水平的大幅提高，以及水库功能与供水任务的多元化，分级卧管式分层放水建筑物在中型水库工程中已被弃用，但在小型水库工程，特别是多年与完全年调节，以及库水位升降频繁与放水流量基本均衡的小型水库中仍有其优势，作为放水、引取水及泄水结构型式之一继续应用，一般控制水头不大于30.0m。黄河流域中游整治沟道水土流失，拦蓄泥沙并造地的淤地坝工程中，分级卧管式分层放水结构为典型的放水及泄洪建筑物广泛应用。近年来，随着水利工程项目建设逐步深入与抗旱水源小型水库的重点建设，以及使用年限到期及超期运用老化而需除险加固与改扩建的小型水库大量增加，分级卧管式分层放水建筑物仍为小型水库除险加固及改扩建的重要工程技术措施与设计方案。
分级卧管式分层放水建筑物设计无相应技术规程与规范可依据，本文结合小型水库工程设计与建设实践，针对工程实践中分级卧管式分层放水建筑物相关水力及其结构技术特性的分析探索，对卧管管身提出相应水力计算方法，以及建筑物及其结构布置与体型设计需注重考虑的主要因素，并列举工程案例分析。坝内埋管（涵洞）或库内两岸放水隧洞为常规水工建筑物，其水力计算与体型设计无特殊性。
2、分级卧管式分层放水建筑物构成及布置
小型水库分级卧管式分层放水建筑物通常由倾斜式卧管、多级系列放水孔（取水孔）、孔口启闭设施、卧管底部消能室（消力井），以及坝内埋管（涵洞）或库内两岸放水隧洞等构成，卧管管身主要采用砌石、混凝土或钢筋混凝土结构。卧管与坝内埋管（涵洞）或库内两岸放水隧洞总体呈不小于90°衔接布置。卧管管身顶部一般应高于水库校核洪水位1.0m以上或与大坝坝顶齐平，并设置通气孔，底部至水库死水位以下1.0～2.0m，并依据坝内埋管（涵洞）或两岸放水隧洞洞底高程确定。水库放水或泄水时，按照库水位升降自上至下逐级打开放水孔，水流自放水孔进入卧管至底部消能室消能，再经坝内埋管（涵洞）或两岸放水隧洞排放至库外与灌溉渠系及供水系统相接，或排泄至下游河道。分级卧管式分层放水建筑物典型布置见图1。
图1 分级卧管式分层放水建筑物典型布置
卧管通常采用矩型断面，放水孔孔口一般采用矩型与圆型两种断面型式，一般小孔径放水孔采用木塞或预制混凝土塞关闭，较大孔径放水孔通常采用手动螺杆式、提拉、斜拉与铰支转动等多种平闸板控制启闭方式。随库水位升降，当管身不同高程放水孔孔口即将淹没或淹没较浅时，开启本级放水孔，卧管存在多放水孔同时进水运行工况。
3、卧管水力计算及分析
小型水库分级卧管式分层放水建筑物中卧管段受水库库水位升降及多级分层进水影响，水力及运行工况复杂，通过相应水力计算为其体型设计提供技术依据，水力计算内容主要包括管身放水孔、内断面及消能室三部分。
3.1、放水孔孔径
管身放水孔布置型式有两种，垂直进水型式孔口布设于管身各级台阶平台面，放水流量仅随库水位的升降而变化，水力工况相对较为简单；水平进水型式孔口布设于管身各级台阶两侧面，随库水位升降，放水在压力孔流与无压明流之间变化，水力工况相对复杂。放水孔孔径决定卧管放水能力，重点对水力工况相对复杂的水平型放水孔，分为有压及无压两个阶段与工况，并对单孔及多孔联合进流工况进行分析，垂直型放水孔可参照压力进流工况分析计算。
（1）压力进流工况
当放水孔被完全淹没时，孔口处于压力进流工况，采用压力孔流水力学公式计算其进流量，计算式[1]如下：
（3）单孔典型Q～H关系曲线
依据水力学计算成果，可得出单孔放水流量的变化过程。图2为某分级卧管式分层放水建筑物单孔放水流量Q随库水位H变化典型关系曲线。无压进流工况的放水流量相对于压力进流工况，有较大幅度的下降。
（4）多孔联合进流工况
在单孔放水能力水力计算与分析的基础上，可根据卧管实际运行方式，分析其多孔联合实际放水过程，计算并分析多孔联合放水能力。图3为某分级卧管式分层放水建筑物多孔联合放水时，放水总流量Q随库水位H变化典型关系曲线。初期孔口开启量较少，整体放水能力相应较低，后期随着开启孔口数量的增加，放水流量趋于稳定。以图中后期任意波动单峰为例分析，当下级孔口开启时，同时运行放水孔达到3个，放水流量急剧增大；随库水位下降，放水能力逐步减弱；某1孔口进入无压进流或退出放水运行时，整体放水能力进一步减弱；随后新孔口不断参与进流，波动单峰进入循环状态。
图3 卧管多孔联合放水典型Q～H关系曲线
3.2、卧管内断面
水流自放水孔进入卧管内部汇总下泄至底部，以不小于90°转向至消能室消能，卧管内断面尺寸按管身多级放水孔联合运行时的最大总进流量控制确定。卧管为陡坡布置，管内水流流速较高，应考虑一定的掺气水深。一般按不含气水流，并将管身水力糙率适当加大的方法计算掺气水深，使其留有一定安全余度。管身水力糙率增大倍数随坡比而变，可参考表1取值[2]。
4、卧管布置及结构体型设计
小型水库分级卧管式分层放水建筑物中卧管结构体型设计，应注重考虑以下方面的主要因素：
4.1、卧管与放水孔布置
主要根据放水流量大小及卧管管身结构规模，合理确定卧管条数，以及管身放水孔进水型式与数量。管身垂直与水平两种进水型式放水孔各有优缺点，垂直型放水孔单台阶为单孔，增大放水流量时需加大管身结构尺寸，进水流量相对较小；水平型放水孔单台阶可设置为2孔，管身结构工程量无需增加，进水流量相对较大。根据放水流量的大小，以及管身结构的合理性，也可采用垂直型与水平型两种放水孔组合的方式。通常放水流量较小时，采用单条卧管及垂直型放水单孔；放水流量较大时，可布置2～3条卧管，并采用水平型放水孔或两种放水孔组合型式2～3孔，以避免孔径过大，造成启闭困难及台阶平台尺寸偏大。对重要与规模较大的分级卧管式分层放水建筑物，必要时需通过工程技术经济分析比较确定。
卧管管身布置坡比一般按1/2.0～1/4.0[3]，并根据大坝坝坡，以及库内两岸岸坡天然地形确定，避免管槽开挖量过大。一般控制单台阶高度为0.3～0.6m，放水孔沿管身纵向垂向中心距为0.3～0.8m，孔径为0.2～0.6m较为合理[3]。管身两侧布设通道、栏杆及路灯等设施，方便运行管理与维护检修。
4.2、管身基础
卧管段长度较大，为保持整体性，防止产生不均匀沉陷变形，管身应置于均匀且坚实基础上，软基须采取换基等方式有效处理。
4.3、管身结构与断面
各级放水孔台阶平台高差与宽度之比采用与卧管管身坡比相同，使整体体形协调与结构尺寸合理适中，注重各级台阶放水孔平台的宽度与长度、高度与高差、结构厚度，以及平台顶面距两侧向水平型放水孔中心的高度等设计取值，主要根据放水孔水力学计算成果与孔径大小、各级平台运行管理与维护检修要求，以及管身结构强度需要等因素分析确定，并全面优化设计参数。
图4 卧管管身典型内断面
在管身放水孔布置及其体型设计时，应通过调整孔口位置及高程，使孔口尽可能处于有压进流工况运行，同时为保证水流跌入后跃起水柱不致淹没孔口，管身净高通常采用水深的3.0～4.0倍，以尽可能增大进流量。管身典型内断面见图4，
管身应分段设置环向结构缝，砌石结构缝间距5.0m，混凝土或钢筋混凝土结构缝间距10.0m，缝内布设止水带。管身分缝处底部两侧，设置抗滑齿墙，以增加整体稳定性。
5、工程案例
西北地区某小型水库是以城镇居民生活与农田灌溉用水，以及抗旱应急等为主要任务的综合水源工程，设计正常蓄水位1208.5m，死水位1204.0m，设计洪水位1209.6m，校核洪水位1210.9m，滞洪库容154.0万m3，总库容389.0万m3，采用分级卧管式分层放水建筑物技术方案引取水，设计放水流量最大3.0 m3/s，最小2.0 m3/s。
放水孔孔口拟定0.5×0.5m（方案一）与0.6×0.6m（方案二）两种矩型断面尺寸方案，采用上述卧管水力计算与分析方法进行比选。通过计算分析，其单放水孔放流量Q与水头H相互关系曲线见图5。由此可知，孔口尺寸增加0.1m对放流量加大明显，因此，放水孔选定0.6×0.6m断面尺寸方案。
图5 不同孔口尺寸Q～H关系曲线
根据水库工程特性及其设计放水流量，通过水力学计算与分析，设计采用单条低配筋率现浇钢筋砼结构卧管，以及台阶平台两侧水平型放水2孔技术方案。设计台阶平台高差0.5m，长1.0m、宽1.3m，放水孔孔口上缘距平台顶面1.0m，放流量最大3.02 m3/s，最小2.09 m3/s，满足要求，最多有4个放水孔同时运行。设计卧管管身内断面净宽0.7m、净高1.5m，消能室净宽2.0m、深1.1m、长3.7m。库水位由校核洪水位及设计洪水位宣泄消落至正常蓄水位，时间分别为171.2h（约1周）与75.8h（约3d），满足工程技术要求。
6、结语
分级卧管式分层放水结构为小型水库放水、引取水及泄水建筑物的型式之一，是新建、除险加固及改扩建小型水库的重要工程技术措施与设计方案。分级卧管式分层放水建筑物设计无相应技术规程与规范可依据，卧管受水库库水位升降及多级分层进水影响，水力及运行工况复杂，针对工程实践中分级卧管式分层放水建筑物相关水力及其结构技术特性的分析探索，对卧管管身的关键部分放水孔、内断面及消能室尺寸确定提出相应的水力计算方法，同时提出建筑物及其结构布置与体型设计需注重考虑的主要因素，并列举工程实际案例分析，可为相应工程设计参考借鉴。卧管水力特性数值模拟与试验验证、放水流量的准确度控制与提升，以及运行与管理自动化监控等问题，仍有待进一步分析研究。
参考文献：
[1] 李炜.水力学计算手册（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
[2] 肖功伟，袁新民，黄富贵，等.山江水库取水卧管改造[J].湖南水利水电，2001，110（1）：9-10.
[3] 陆圣女，白焱，李启林，等.浅谈分级放水卧管设计要点[J].内蒙古水利，2013，148（6）：45-46.
论文作者:张铎1,党宏祖2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/17
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