鄂北地區(qū)水資源配置工程孟樓-七方倒虹吸黑清河放空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

吳佩 陳小松 馮小慶 倪雙雙 李琦

摘要：大口徑、長距離輸水管道在調(diào)水工程中的應(yīng)用越來越廣泛，放空系統(tǒng)的布置顯得尤為重要。為確保鄂北地區(qū)水資源配置工程孟樓-七方倒虹吸的安全運(yùn)行并滿足檢修需求，在倒虹吸沿線低洼處設(shè)置了放空設(shè)施。在黑清河放空系統(tǒng)的設(shè)計中，針對放空系統(tǒng)總體布局提出了設(shè)計思路，通過概化物理模型試驗(yàn)研究優(yōu)化了消能井結(jié)構(gòu)設(shè)計，參考設(shè)計規(guī)范及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化了放空閥室結(jié)構(gòu)設(shè)計。研究成果可為類似工程提供技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：倒虹吸;放空型式;深筒式消能井;物理模型試驗(yàn);鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類號：TV672.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.004

Abstract：Large diameter and long distance water conveyance pipeline has been applied more and more widely in water diversion projects， the layout of its blow-down system is particularly important. To ensure the safe operation and meet the maintenance requirements of the inverted siphon from Menlou to Qifang in the North Hubei Water Transfer Project， the inverted siphon was equipped with the venting facilities along its low-lying areas. In the design of the Heqinghe blow-down system， the overall layout of the blow-down system was proposed， and the structural design of vertical stilling well was optimized by generalized physical model testing. By referring to the design specification and relevant engineering experience， the structural design of the vent valve chamber was also optimized. The results can provide technical practice experience and scientific basis for similar projects.

Key words： inverted siphon;blow-down type;vertical stilling well;physical model test; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概況

孟樓-七方倒虹吸（以下簡稱“倒虹吸”）位于鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）首段，樁號25+520～97+600，總長72.149 km。該工程起自老河口市孟樓鎮(zhèn)柴崗村，經(jīng)老河口市孟樓鎮(zhèn)、薛集鎮(zhèn)、襄州區(qū)黃集鎮(zhèn)、朱集鎮(zhèn)、程河鎮(zhèn)，跨襄州區(qū)白河、唐河，至棗陽市七方鎮(zhèn)吳莊村，沿線地形兩側(cè)高、中間低，高程差達(dá)60多米。倒虹吸采用3根溝埋DN3800 mm預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP管）平行布置，設(shè)計流量38.0 m3/s。

為確保輸水干渠輸水安全及滿足檢修需要，結(jié)合檢修閥的設(shè)置，根據(jù)各段排水量、排空時間及綜合考慮抽水泵的規(guī)模、臺數(shù)等因素，在沿輸水線路低洼處設(shè)置放空設(shè)施。放空采用自流排水與抽排水相結(jié)合的方式排除管道內(nèi)的水，為避免輸水主管道局部檢修時全線斷水，放空系統(tǒng)按單管單控設(shè)置，既可以單管單放，亦可多管同時打開放空。倒虹吸共設(shè)置放空設(shè)施15處，根據(jù)管線沿線高程采用3個批次放空，放空次序由高至低。在這15個放空系統(tǒng)中，黑清河放空系統(tǒng)自排放空水頭（23.46 m）和自流放空流量（10.25 m3/s）均最大，具有一定研究意義。

當(dāng)前輸水工程放空系統(tǒng)設(shè)計中放空管徑設(shè)計均在900 mm以下，放空流量也較小[1]。黑清河放空系統(tǒng)放空管徑大、流量大，并無先例參考，需要通過模型試驗(yàn)研究確定比較安全合理的消能放空型式。

2 放空系統(tǒng)設(shè)計思路

2.1 放空型式確定

黑清河放空系統(tǒng)主要功能是將倒虹吸主管道里的水通過自流和抽排結(jié)合的型式放空至主干線左側(cè)的黑清河。黑清河放空系統(tǒng)位于鄂北工程主干渠倒虹吸樁號83+950處，對應(yīng)主管道中心高程為69.30 m，地面高程74.30 m。黑清河20 a一遇設(shè)計水位為79.20 m，200 a一遇校核洪水位為80.50 m，常水位70.00 m。

放空系統(tǒng)按放空處地形條件分為上排型式和下排型式2種類型。對于主管道埋深較深，放空設(shè)施出口河道（水庫）水位較低或主管道埋深較淺，放空設(shè)施出口河道（水庫）水位較高時，采用上排型式放空;對于放空設(shè)施處管軸線出口河道（水庫）水位較低、管道埋深較淺時，采用下排型式放空。黑清河放空系統(tǒng)對應(yīng)主管道埋深較淺，放空出口對應(yīng)的黑清河常水位較低，因此采用下排型式放空。考慮黑清河自排放空水頭較大，采取增加消能閥的型式，即下排+消能閥型式。

2.2 總體布局

放空系統(tǒng)與主管道退水口段通過混凝土鎮(zhèn)墩銜接。設(shè)置3根放空管分別從輸水主管道的底部并排引出至下游閥室。放空管中心高程為65.40 m，閥室內(nèi)設(shè)置3套手動電動兩用檢修閥和工作閥（活塞閥）組，放水管經(jīng)檢修閥、工作閥（活塞閥）后并聯(lián)，再接入消能井，消能井與閥室通過中隔墻隔開。消能井井壁設(shè)置不同的消能墩塊，增加消能效果[1-2]。經(jīng)消能井二次消能后，在井壁下游墻體的高程70.00 m處通過自流出水口，將水排入箱涵。由于箱涵下穿黑清河右岸堤防與黑清河河床銜接，黑清河水位高于箱涵頂部高程，故需在箱涵末端設(shè)置防洪閘。當(dāng)主管道需要放空時，打開防洪閘閘門，放空的水最后匯入黑清河，平時關(guān)閉防洪閘門防止黑清河水倒灌進(jìn)入放空系統(tǒng)內(nèi)。在無法自流時，打開位于消能井內(nèi)的抽水泵，通過埋置于自流口左側(cè)的鋼管，將水抽排入箱涵內(nèi)，最后匯入黑清河。在閥室下游左側(cè)設(shè)置樓梯與地面相通，消能井位于閥室下游右側(cè)，樓梯間與消能井通過中隔墻隔開。水泵控制閥、閘閥位于消能井左側(cè)的樓梯間面層。黑清河放空系統(tǒng)總平面布置見圖1。

2.3 設(shè)計難點(diǎn)

倒虹吸在樁號83+950處工作壓力為0.8 MPa，對于黑清河放空系統(tǒng)系統(tǒng)而言，存在兩個主要的技術(shù)設(shè)計難點(diǎn)：①由于放空水頭較大，管道放空時，對放空支管、消能井及消力池等產(chǎn)生較大影響;②放空流量的大小直接影響放空時間，對工程檢修及應(yīng)急調(diào)度產(chǎn)生影響。鑒于此，有必要對放空系統(tǒng)開展模型試驗(yàn)，研究其流態(tài)、流速、壓力等，評估其消能效果[3]，從而確定具體的消能型式。

由于放空閥突然啟閉時產(chǎn)生較大的水錘壓力，放空閥室和消能井屬于下埋式結(jié)構(gòu)，受地下水產(chǎn)生的揚(yáng)壓力影響，結(jié)構(gòu)整體的抗滑穩(wěn)定受到威脅，需通過計算選擇安全經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 放空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 深筒式消能井設(shè)計

3.1.1 模型制作

深筒式消能井利用射流對消力井井底的沖擊、井內(nèi)水流擴(kuò)散以及水股之間相互摩擦進(jìn)行消能，流態(tài)復(fù)雜[4]，通過概化物理模型試驗(yàn)研究確定尺寸。放空系統(tǒng)模型模擬范圍包括部分放空主管道、岔管、支管道、放空閥、消能井及下游渠道。模型比尺為1∶10。模型供水水箱采用鋼板制作，主管道、放空管道、消能井及消力池等采用有機(jī)玻璃制作。模型制作安裝精度滿足SL 155-2012《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》的要求。模型流量采用三角薄壁堰量測，上、下游水位采用水位測針量測，水面線采用鋼尺量測，所有儀器設(shè)備均經(jīng)檢定并在有效期內(nèi)。

3.1.2 優(yōu)化方案試驗(yàn)研究成果

黑清河放空系統(tǒng)原方案剖面布置見圖2。放空管道出口為63.50 m，管口距為0.5 m，消能井井底高程62.50 m，井深6.50 m，井寬4.60 m，井頂高程75.20 m。消能井出口接橫斷面為3.0 m×2.7m（寬×高）的箱涵，消能井至箱涵為封閉式，箱涵首部底高程為68.50 m，箱涵尾部設(shè)防洪閘，閘底高程為68.46 m，后以1∶3連接消力池;消力池底部高程67.96 m，尾坎高1.00 m，消力池尾坎后設(shè)防沖槽，防沖槽高程為68.96 m。

下游水位不受下游水庫頂托時放空，消能井內(nèi)紊動強(qiáng)烈，摻氣充分，水面波動較大，偶有水花濺起，水流出消能井后，在箱涵首部形成有壓流，其后為明流，水面波動較小，見圖3。

根據(jù)原方案及概化模型試驗(yàn)研究成果，對黑清河倒虹吸放空模型設(shè)計進(jìn)行了調(diào)整，優(yōu)化方案布置見圖4。消能井由封閉式改為開敞式，井深由6.5 m加深至8.5 m，井寬由4.6 m擴(kuò)寬至5.6 m，管口距由0.5 m增至1.5 m。消能井后接消力池，消力池池長10 m，池深1 m，尾坎后再接長30 m、橫斷面尺寸為3.0 m×3.5 m（寬×高）的箱涵。

下游水位不受下游水庫頂托時放空，消能井內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)，水面波動較小。水流出消能井后，出口處水深為2.3～3.2 m，流速為1.24 m/s;水面跌落進(jìn)入消力池，消力池內(nèi)的水深為2.45～2.90 m，流速1.28 m/s，水流在消力池沒有形成水躍。矩形渠道內(nèi)未見水體溢出邊墻，尾坎上水深為1.50～1.75 m，流速2.10 m/s，出尾坎后水面跌落0.4 m，進(jìn)入箱涵，在箱涵內(nèi)為明流，流速約為1.40 m/s，凈空率為22.8%，水面平穩(wěn)。黑清河下游渠道水面線見表1。

3.2 放空閥室結(jié)構(gòu)設(shè)計

放空閥室平面凈尺寸為11.7 m×10.6 m，底板高程63.70 m，井頂高程75.50 m，閥井底設(shè)置2.6 m×1.5 m×1.5 m（長×寬×高）集水井，頂板在垂直電動閥處設(shè)置吊物孔。閥室和消能井作為整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算，由于占地面積大、埋深大，考慮各種工況的最不利因素，通過增加底板厚度和增設(shè)上游托板達(dá)到滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算要求。放空閥室底板厚度2.7 m，上游邊墻、下游中隔墻及左右邊墻厚度均為1.2 m，拖板寬度3.0 m，沿上游墻布置。閥室及消能井結(jié)構(gòu)見圖5。

考慮如下4種計算工況：

（1）檢修工況（特殊組合Ⅰ）。閥室及消能井外水位取與填土高度齊平。

（2）施工工況（特殊組合Ⅱ）。地下水位與消能井底板齊平。

（3）正常運(yùn)行工況（基本組合Ⅲ）。消能井內(nèi)水位74.3 m，黑清河常水位70.0 m，閥室及消能井周圍填土地下水位取71.0 m。

（4）完建工況（基本組合Ⅳ）。地下水位與消能井底板齊平。

按照GB50265-2010《泵站設(shè)計規(guī)范》，穩(wěn)定分析計算結(jié)果匯總見表2，可見結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

（1）以黑清河放空系統(tǒng)為實(shí)例，從設(shè)計思路到具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計難點(diǎn)進(jìn)行闡述和分析，對類似工程具有一定的借鑒意義。

（2）深筒式消能井采用概化物理模型試驗(yàn)研究更為直觀，能較精準(zhǔn)地確定消能井的設(shè)計尺寸，有利于優(yōu)化放空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置。

（3）黑清河放空系統(tǒng)中閥室和消能井、樓梯間為整體結(jié)構(gòu)，中間通過中隔墻隔開，結(jié)構(gòu)布置及受力情況不對稱，如何對其進(jìn)行優(yōu)化布置還值得進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李煒. 水力計算手冊（第2版）[M]. 北京：中國水利水電出版社，2006.

[2] 肖文淵. 長距離大口徑輸水管道綜合式消能井結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2003，12-14.

[3] 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，2010，32（3）：92-93.

[4] 楊星晨，吳鮮艷. 蔣家溝水利工程深筒式消力井設(shè)計[J]. 甘肅水利水電技術(shù)，2011，47（6）：27-28，41.

（編輯：李曉濛）