石橋水電站供水管路消能井設(shè)計(jì)與施工探析

魯　林

(遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

?

石橋水電站供水管路消能井設(shè)計(jì)與施工探析

魯林

(遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

【摘要】遼寧鳳城石橋水電站工程針對(duì)供水管路水頭高、水壓大，及下游銜接渠道沖蝕嚴(yán)重等問(wèn)題，在管道中部設(shè)置水力消能井來(lái)降低水壓。本文對(duì)該水電站供水管路消能井的設(shè)計(jì)與施工作了分析，為類(lèi)似工程提供了一定的參考經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】供水管路；消能井；深筒式；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1工程概況

石橋水電站是遼寧鳳城市愛(ài)河下游水能開(kāi)發(fā)最上一級(jí)電站，位于鳳城市東湯鎮(zhèn)石橋村唐家堡子附近，距草河入河口(花家堡)2.63km左右。該電站總裝機(jī)容量9600kW，多年平均發(fā)電量2136萬(wàn)kW·h，屬于徑流式小型水電站。水電站引水系統(tǒng)由取水塔、引水隧洞、壓力鋼管、發(fā)電機(jī)組組成。取水塔高40m，雙圓筒式結(jié)構(gòu)，分為8層。

引水隧洞直徑3m，長(zhǎng)105m。隧洞出口為三通井，兩側(cè)分別接DN2000型放水管和DN1200型壓力鋼管，壓力鋼管長(zhǎng)30m，分三根岔管引入發(fā)電廠房，分別供給3臺(tái)3200kW發(fā)電機(jī)組。

電站排出的尾水接灌渠，供周邊農(nóng)業(yè)灌溉使用。為降低尾水壓力，減弱水流對(duì)渠道的沖蝕，在尾水出口設(shè)置深筒式水力消能井。消能井工作水頭30m，設(shè)計(jì)引水流量3m3/s，加大引水流量3.5m3/s。

2消能井工作特性

重力流水電站供水系統(tǒng)最重要的減壓措施之一是調(diào)節(jié)壓力和調(diào)流，當(dāng)輸水管道除了輸水水頭損失之外還剩余過(guò)多水頭，并可能對(duì)下級(jí)水路有損害時(shí)，就需要選擇消能工進(jìn)行減壓消能[1]。當(dāng)前輸水工程中主要采用的水力消能方式有兩種：一種是基本消能，例如挑流、底流、戽流和面流消能；第二種為特殊消能，如采用水流沖擊或噴流，以及深井消能等。結(jié)合該工程輸水管道出口水頭高、流量小的實(shí)際情況，采用深筒式消能井較為經(jīng)濟(jì)合理。

深筒式消能井的消能原理是：輸水管道中具有高勢(shì)能的水流，經(jīng)轉(zhuǎn)彎沿進(jìn)水管軸線垂直方向射入井底，水射流強(qiáng)烈沖擊井底，水流與井底形成的水墊劇烈撞擊，隨后與井底、井壁劇烈碰撞，造成的紊流翻滾上升，同時(shí)消耗掉了大量能量，經(jīng)消能井上端的出水口溢出排走,進(jìn)入下一級(jí)渠道或管道[2]。

3消能井設(shè)計(jì)

該工程深筒式消能井采用鋼筋混凝土澆筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為圓形斷面，井內(nèi)水面為自由水面，無(wú)壓力。按照通常的消能井設(shè)計(jì)規(guī)格，井深一般為6～10m，直徑取3～4m。進(jìn)水管管口朝下設(shè)置在井壁下部，使用長(zhǎng)螺絲固定于井底預(yù)制水泥墩上。溢水口位于消能井上部另一側(cè),距井口頂部一般為1.0～1.5m。進(jìn)水管和出水管采用內(nèi)徑為0.8m的高壓玻璃鋼夾砂管，糙率為0.009，承壓0.6～1.8MPa。

3.1進(jìn)水管管徑

消能井進(jìn)水口處形成射流是水力消能的主要環(huán)節(jié)，合適的管徑才能形成最有效的射流。管徑如果太小，則射流能量過(guò)于集中，對(duì)井底和井壁的沖刷較大；管徑如果太大，則形不成足夠的紊流，水流能量依然較大，實(shí)現(xiàn)不了消能井的作用[3]。因此，確定管徑的原則為：能將管道內(nèi)總水頭全部轉(zhuǎn)化為出水口水流動(dòng)能。管徑具體計(jì)算過(guò)程如下：

a.總水頭計(jì)算。水頭損失是影響水流能量的主要因素之一，也是管徑選取的重要參考量之一，該工程按照式(1)對(duì)總水頭進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度60%時(shí)，水頭損失系數(shù)K=2.8，根據(jù)HT=30m，最終求得v=12.44m/s。

(1)

式中v2/(2g)——水流動(dòng)能；

b.管徑計(jì)算

該工程按照式(2)計(jì)算進(jìn)水管橫截面積，得A=0.241m3，進(jìn)而可求得管徑D=0.554m，最終確定消能井出水口直徑為0.55m。深筒式消能井在水流量較小時(shí)消能率較低；隨著流量逐漸增大，消能率也逐漸提高；當(dāng)流量增大到一定程度時(shí)，消能率趨于極限，并逐漸穩(wěn)定[4]。

(2)

式中Q——進(jìn)水管平均流量；

v——進(jìn)水管水流速度。

3.2消能井尺寸

消能井尺寸的設(shè)計(jì)主要是選擇井深與井寬的比值d/b，比值取值范圍為1.0～2.0，一般取1.5。根據(jù)管徑D、設(shè)計(jì)流量Q及下游銜接渠道容許波高值h，計(jì)算消能井參數(shù)[Q2/(gD5)]1/2及h/D值。

如圖1所示，根據(jù)有關(guān)研究資料中消能井參數(shù)計(jì)算圖，代入上面出口管徑的計(jì)算結(jié)果，查得b/D值，依據(jù)圖1取值，計(jì)算得井寬值b。下游銜接渠道設(shè)計(jì)斷面為梯形，邊坡為1∶1.5，渠道水深Y=b/2，若Y≠b/2，則調(diào)整井深d，使d+Y=d+b/2。

對(duì)消能井結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行模型模擬試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)多組方案進(jìn)行比較。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，溢流出水管對(duì)井水深度有一定影響。若出水口位置高，則消能效果好但是建設(shè)成本高；若出水口位置低，則井深淺投資小，但水流容易溢出，系統(tǒng)不穩(wěn)定[5]。結(jié)果表明：當(dāng)流量為1.5m3/s或壓力達(dá)到1.8MPa時(shí),消能井內(nèi)水深為5.40m，超出溢水口中心線平面0.8m，井中水面稍有擾動(dòng)，但井水位上升幅度較小，消能程度為0.03，完全達(dá)到預(yù)期效果。

圖1　消能井參數(shù)[Q2/(gD5)]1/2與h/D關(guān)系

在實(shí)際施工中，消能井設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形和下游銜接渠道情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.3消能井結(jié)構(gòu)

如圖2所示，消能井設(shè)置為直徑為2.4m的雙井構(gòu)造，上部覆蓋鋼筋混凝土預(yù)制井蓋，一側(cè)井底設(shè)輸水管控制閥，蓋板和井壁設(shè)人孔和爬梯供人員出入，井壁厚0.5m，輸水管為DN800型，半球閥開(kāi)關(guān)；輸水管橫穿控制閥到另一側(cè)消能井，管道直徑由井壁開(kāi)始收口至0.55m，接彎頭管，管口垂直朝下。井底及下半部井壁鋪10mm鋼板，上部井壁設(shè)出水口，與出水渠道相連。

圖2　水力消能井結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

3.4消能井施工

石橋水電站供水管線為地下深埋式線路，消能井設(shè)置于管線與灌渠相接的平坦地帶。施工前根據(jù)消能井設(shè)計(jì)尺寸開(kāi)挖土方，坑基采用三七灰土進(jìn)行換填夯實(shí)，井壁構(gòu)筑完成后也采用三七灰土對(duì)周邊進(jìn)行回填，并夯填至地面。消能井采用下埋式箱式結(jié)構(gòu)，消能井內(nèi)徑2.4m，澆筑壁厚0.5m，底板厚0.4m，井底距出水口渠道底板4.3m，最大井深6.55m；在出水口設(shè)鋼絲防護(hù)網(wǎng)以防雜物入井，在消能井頂部建管理房。為了使井底和近底井壁經(jīng)得住射流的長(zhǎng)期沖刷，在井底和近底井壁安裝了1.9m高、10mm厚的鋼板，鋼板與井底(壁)混凝土使用錨筋牢固連接。輸水管出口高出底板50cm，管口設(shè)高強(qiáng)螺栓與底板水泥墩牢固連接，水平設(shè)鋼筋拉桿與井壁緊固連接，確保管口穩(wěn)固，消能井管道上游側(cè)設(shè)置控制閥井及鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩滿足管路安全運(yùn)行的要求。

4結(jié)語(yǔ)

在遼寧鳳城市水電站供水管路消能井設(shè)置中，設(shè)計(jì)采用深筒式消能井設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、使用周期長(zhǎng)、效能效果好，且出水流對(duì)渠道沖刷明顯減弱。通過(guò)設(shè)計(jì)與施工，遼寧鳳城市水電站供水管路消能井于2012年投入使用，在水庫(kù)正常水位時(shí)，按設(shè)計(jì)引水流量3m3/s運(yùn)行。水流經(jīng)過(guò)消能井后，勢(shì)能大大降低，水流平緩，井中水面浮有少量白色泡沫，水量無(wú)大幅波動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)引水量加大時(shí)，水流出現(xiàn)波動(dòng)，井中波浪高度在0.2～0.3m之間，水流入渠后水面平緩，消能井總體設(shè)計(jì)效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1]趙經(jīng)華，侍克斌，馬亮，等.阿拉山口輸水管道消能井結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2010(3):92-93.

[2]黃鳳崗.水電站工程水能的計(jì)算方法研究[J].中國(guó)水能及電氣化，2015(5)：46-48.

[3]廖常德,周力.具有消能井的豎井溢洪道及其消能率計(jì)算[J].西北水電，2006(3):46-52.

[4]張輝，張馳，徐亮，等.淺談水利工程施工技術(shù)[J].中國(guó)水能及電氣化，2010(12)：52-55.

Analysis and discussion on water supply pipeline energy dissipation well design and construction in Shiqiao Hydropower Station

LU Lin

(LiaoningEast-to-WestWaterTransferProjectConstructionBureau,Shenyang110003,China)

Abstract:Hydraulic energy dissipation well is set in the middle part of the pipeline for reducing water pressure in Liaoning Fengcheng Shiqiao Hydropower Station Project aiming at high water head and large water pressure of water supply pipeline, serious erosion on downstream connected channel, etc. In the paper, the design and construction of hydropower station water supply pipeline energy dissipation well is analyzed, which provides certain reference experience for similar projects.

Key words:water supply pipeline; energy dissipation well; deep cylinder; structure design

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.015

中圖分類(lèi)號(hào)：TV653

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8241(2016)06- 0051- 03