——以石林县格渣吃水箐水库除险加固工程为例

　　章慧倩（昆明市水利水电勘测设计研究院）

　　【摘  要】根据小型水库涵洞的进口型式和洞身结构，分析不同库水位的出流情况，判别涵洞进口和洞身流态，计算涵洞出流量，得出不同流态时的出流量，以便在涵洞使用过程中尽量避免长时间出现不稳定流态，做好运行调度，确保涵洞的正常使用和结构安全。

　　【关键词】涵洞结构  出流流态  运行调度

　　1.工程基本情况简述

　　石林县格渣吃水箐水库始建于1958年，位于石林县以东的西街口镇杨梅山南西4km的格渣新寨东侧0.2km处，所处区域为海拔较高的高寒山区，箐沟属珠江流域南盘江水系，为南盘江左岸支流。水库距离石林县城75km，有石林～西街口～亩竹箐公路或者石林～圭山～格渣的县、乡级公路可到达，交通较为便利。

　　格渣吃水箐水库承担着格渣新村150亩田地的灌溉、540人生活用水及牲畜饮水任务。水库总库容10万m³、正常库容5.77万m³。

　　枢纽建筑物主要有土坝、放水涵洞及溢洪道。土坝1958年11月开始建设，1962年投入使用，1976年8月份连续降大雨，由于防护排洪沟渠窄小，无法渲泄大洪水、大坝被冲毁，同年10月份组织人力物力重新动工(开始清基)，1979年建成，1980年又对坝体进行加高加厚、溢洪道加深加宽。几十年来涵洞进口阀门锈蚀、启闭不灵，涵洞壁和闸口漏水、进口经常被杂物淤塞，2009年对涵洞进口进行过简单处理。

　　2010年大坝安全评价，大坝为土石坝，现状坝高15.8m，坝顶平均高程2066.58m(2067.21～2065.95m)，坝轴线长约45.0m（到溢洪道岸边48.0米），坝顶平均宽11.0m(10.0～13.46m)；上游迎水面坡比1:1.32-2.88(平均1:2.02)，下游坡比1:1.57-2.8（平均1:2.28）。输水涵洞位于大坝右侧，为坝下埋管、无压涵洞，洞身为浆砌石支砌，净空尺寸1.0×0.6m(高×宽)，全长48.8m，进口安装有φ0.3m转盖闸，涵洞进口处水面高程为2062.27m（2010年03月实测，由于被水遮掩，未能准确测到涵洞进口底板高程），实测涵洞出口底板高程为2056.91m，采用涵洞出口高程推测涵洞进口高程为2057.17m(该高程待施工放水后测量落实)。溢洪道位于大坝左坝肩的岸坡，为开敞式未衬砌土渠、不规则的梯形断面，全长25m，出口交于地形等高线，无后段和消能设施。

　　由于坝体、坝基、涵洞存在渗漏等问题，水库常年低水位运行，严重影响蓄水、供水。2011年大坝安全鉴定，枢纽建筑物鉴定为C类，2012年底完成除险加固工程初步设计，2013年秋冬～2014年冬春除险加固工程施工。

　　2.输水涵洞除险加固工程设计

　　2.1水库特征值

　　经复核，格渣吃水箐水库地表控制径流面积1.01km2，水库设计总库容10.1万m³，为小（二）型骨干蓄水工程。

　　表1    格渣吃水箐水库除险加固后特征值成果表

　　2.2涵洞加固工程方案和措施

　　格渣吃水箐水库为一般小(二)型水库，受投资、地形、地质条件等因素所限，输水建筑物工程方案采取加固改造老涵洞方案，工程措施分五个部分：(1)涵洞进口包括引渠和沉沙进水井两个部分，保留原涵洞的沉沙进水井，其位置不变，前面修筑钢筋混凝土引渠以适应本次坝坡坡度的调整；(2)涵洞洞身采用钢管内衬，原浆砌石老涵洞净宽0.6m，设计钢管外径500mm，Q235B钢板、壁厚8mm，钢管沿洞底敷设(从出口向上游顶管)；进出口各10m长范围开挖清基至坚硬基岩，回填浆砌石至设计高程，保证基础牢固，钢管采用C20钢筋混凝土外包；(3)涵洞出口设φ500mm阀门二道；(4)出口建盖闸房；(5)沿涵洞轴线、从坝顶和坝坡打钻孔做洞内充填灌浆和涵洞外壁帷幕灌浆形成截水环。

　　格渣吃水箐水库设计死水位2058.50m，高于现状涵洞进口底高程(2057.17m)1.33m，涵洞加固方案无法调整进口高程，只能提高涵洞进水口的底槛高程以便拦截泥沙，为了防止杂物落入洞口的沉沙进水井、阻碍水流，沉沙进水井顶部用混凝土板封闭，只在面对水库的一个方向开口作为进水口，并设置拦污栅挡拦杂物，考虑到水流过槛后利用沉沙井消能，井底至涵洞底高差2.2m、形成水垫，因此进水口整体上为相对封闭的井式结构，钢筋混凝土整体浇筑，见图1、图2。

　　孔口处设置拦污栅后，有效过水面积约为孔口净空面积的0.75倍，过栅流速日常使用时宜为0.6～1.0m/s(以此核算进口设计宽度)，清污时最大不超过1.2m/s。

　　图1    涵洞进口引渠和沉沙进水井平面图

　　图2    涵洞进口引渠和沉沙进水井立剖面图

　　3. 输水涵洞加固改造后的出流情况分析

　　若涵洞出口阀门全开(不考虑阀门控制出流)，涵洞出流量由两个部位控制：（1）涵洞进水口，（2）涵洞洞身。

　　进水口设计底槛高程2058.50m，净宽1.5m，净高1.75m，孔口处的进水方式和沉沙进水井的水流运动形态较复杂，根据水库水位从低到高，可能出现几种流态，（1）进水口部位有两种流态，堰流和孔口出流(由于受洞身出流量大小的约束，不会出现孔口出流情况)；井内水位较低时，水流在流过槛顶(堰顶)时将产生跌落，此时为堰体自由出流，水流为急流。（2）洞身部位有三种流态，无压流、有压流，在有压、无压过渡期间会出现不稳定流，这种流态会引起洞身的振动和剥蚀，进而造成损坏，因此，设计涵洞和运行管理时，要尽量避免出现不稳定流这种流态。（3）用水量平衡法，核算进口、洞身两个部位的过流量，分析是否一致，以确定涵洞出流量。

　　3.1 进水口部位堰流

　　根据库水位的变化，判别在不同的槛上水深情况下，是产生堰流还是孔口出流。用孔口高度e除以槛上水深H：

　　（1）堰流状态的判别

　　经计算，槛上水深0.01～2.33m时，为堰流；孔口前面的引渠底板高程比槛顶低10cm，槛宽0.5m，堰型判别如表2。

　　表2               堰型判别参数表

　　（2）宽顶堰出流

　　槛上水深0.05～0.20m时，按堰流自由出流公式（1）对应宽顶堰流量系数，计算槛后(下游)水位低于(等于)2058.5m时的流量，计算四种水位0.05、0.10、0.15、0.20m，见表3。

　　                                （1）

　　m为宽顶堰流量系数，有直角前沿进口按下式计算。

　　               式中：P1为坎高，本工程为0.1m。
 

　　（3）实用堰出流

　　槛上水深＞0.20m、至0.75m时，按堰流自由出流公式（1）对应实用堰流量系数，计算槛后(下游)水位低于(等于)2058.5m时的流量，计算0.25～0.75m十一种水位，实用堰流量系数m参照折线型、可以取0.35～0.42，计算得出流量见表3。

　　表3                宽顶堰、实用堰出流量分析计算表

　　（4）薄壁堰出流

　　槛上水深＞0.75m至2.33m时，按堰流自由出流公式（1）对应薄壁堰流量系数，计算槛后(下游)水位低于(等于)2058.5m时的流量，当槛上水深≥0.80m时，进口过流量大于洞身出流，本文只计算0.80～1.10m四种水位，薄壁堰流量系数m按下面经验公式计算，从而计算得出流量见表4。

　　式中：P1为坎高，本工程为0.1m。

　　表4                薄壁堰出流量分析计算表

　　3.2洞身部位出流量分析计算

　　洞身加固后全长51.9m，底坡约1/200，钢管内径484mm，涵洞出口接灌溉渠、水位较低。洞身水流的流态主要有无压流、有压流，对结构和尺寸已经确定的涵洞，其流态决定于洞口顶上水位的高低、底坡、进口型式、洞长等因素，随着库水位的变化可以形成无压流、有压流，还会出现介于二者之间的不稳定流。

　　（1）缓坡、陡坡的判别

　　当洞口水位较低、洞身较长、涵洞自流出流，按明渠均匀流计算洞身的水力要素和临界底坡，判别缓坡(缓流)、陡坡(急流)，过流量计算公式（2）和临界底坡计算公式如下。

　　                                       （2）

　　圆形断面的临界水深等水力要素采用新近似计算公式[注1]，公式和简图如下。

　　式中：hk为临界水深(单位：m)；

　　φk为相应于临界水深时的圆心角(以弧度算)；

　　       Ak为相应于临界水深时的过水面积(单位：m2)；

　　       Bk为相应于临界水深时的水面宽度(单位：m)。

　　图3  圆形断面(无压流)

　　根据隧洞设计规范，圆形断面至少要留有15%的空间，才能保证无压流的状态。洞身底坡1/200，钢管糙率0.012，计算洞身过流面积85%时的流量为0.26m3/s，并试算不同流量时的临界底坡见下表5。

　　表5            洞身不同过流量时的临界底坡

　　洞身底坡小于临界底坡，为缓坡。

　　（2）无压～有压之间的水流流态

　　对于自由出流，缓坡洞身，洞长不影响过流能力的为短洞，洞长影响过流能力的为长洞，短洞、长洞的界限长度l由试验得出的公式计算，当洞身长度L＞l，为长洞，否则为短洞，经计算l为3.36m，洞身长L=51.9m，大于l，判别为长洞。

　　（3）不稳定流态

　　当：正常水深h0＞h，洞较长，下式小于某一数值k，洞内将出现时而无压、时而有压，并伴随着不稳定的气囊的周期性(气囊沿程交替出现)水流现象，见图4。由于气囊的空间未与大气相通，水流把空气带走、产生负压，洞身内会形成局部真空，出流不稳定。

　　图4 不稳定流态（示意）

　　经计算，k=1.396，洞顶上水深Hd=0.10～0.192m时，出现不稳定流态。

　　表6              对应k值的水深计算

　　（4）涵洞有压流

　　当洞顶上水深Hd＞0.192m时，涵洞为有压流，出流量按（3）式计算。

　　                          （3）

　　T0为孔口总水头，本处T0=T+h；

　　μ为流量系数，与局部能量损失系数、沿程能量损失系数、断面形状和其变化等有关，按经验公式计算得0.516；

　　hp为涵洞出口断面水流的平均单位势能。

　　表6            洞身有压流态出流量计算表

　　3.3用水量平衡法核算进口、洞身两个部位的过流量并确定库水位与涵洞出流量的关系

　　（1）水量平衡法的原理

　　水的运动有连续性，根据质量守恒定律，水体的流动在前后相邻的两个断面间、数量上保持着进出平衡。因此，涵洞进口通过的水量与洞身通过的水量是一致的，同一库水位时，哪个部位过流量小则最终控制了涵洞的出流量。

　　（2）库水位与涵洞出流量的关系

　　从图2可以看出，控制涵洞出流量的两个部位进水起点高程不一样，出流情况也不一样，库水位从死水位开始升高初期，受进水口出流量控制，随着库水位的升高，堰流出流量加大，而此时洞身过流量增加很小，从而受到洞身过流量的限制，采用水量平衡法核算两个部位过流量并确定库水位与涵洞出流量的关系，见表7。

　　表7                  水库水位与涵洞出流量关系表

　　                                 洞身部位出流量和涵洞出流量

　　从上表可以看出，当水库水位在2058.97m以下，由堰流决定涵洞出流，当库水位在2058.97m以上时，堰流流量逐渐加大并大于洞身出流量，涵洞出流量大小由洞身控制。

　　4. 总结和建议

　　（1）小型水库除险加固工程，涵洞加固方案和进口结构的设计需要综合考虑多种因素，首先要满足建筑物功能和使用要求，同时结合以前的建筑物结构，便于实施且节省工程投资。

　　（2）涵洞的出流情况需要针对不同部位及其结构具体分析，根据不同库水位和对应水深，采取多种流态的公式、分段计算确定。本工程涵洞出流量取决于进口、洞身两个部位，先分析流态，再选择计算公式，分别采用进口堰流公式（1）、洞身无压流情况的明渠均匀流公式（2）、洞身有压情况的出流公式（3）计算出流量。

　　用水量平衡法核算、确定符合实际情况的控制性流量作为涵洞的设计出流量，得出库水位与涵洞出流量的关系。

　　（3）正常蓄水位时涵洞进口槛上水深8.0m，出流量1.35m3/s，孔口全断面过水，过水面积A=1.5(宽)×1.75(高)×0.75(拦污栅折减系数)，为1.97m2，估算流速为0.67m/s，在适宜的过栅流速0.6～1.0m/s范围内，孔口设计宽度1.5m是合适的。

　　（4）运行调度过程中，采取防止不稳定流出现的措施。1）利用涵洞出口阀门调度控制出流量，尽量避免长时间出现0.31～0.446m3/s的流量，该流量区间形成不稳定的周期性气囊水流现象，这种流态会对洞身造成振动、剥蚀的危害，不利于洞身结构安全。

　　2）洞身顶部设置连续掺气的通气孔，在水体流动过程中充分掺气，避免产生负压和振动、剥蚀危害。

　　（5）洞身通气孔可考虑在钢管管壁上方分段设置旁通管，从涵洞进口、出口引接至洞外水面以上；洞口10m段适当扩大洞身尺寸，利于掺气和旁通管的外接。通气孔可考虑与洞身灌浆孔连接，具体工程措施有待研究。

　　（6）其他工程项目有条件时，不宜设计结构复杂的进水口，建议1）将沉沙井移向上游、形成独立结构，与涵洞进口的进水功能和结构分开，便于清淤作业；2）涵洞进口应设置喇叭口(渐变八字墙和弧形仰拱)，力求水流顺畅。

　　注[1] 公式来源于论文《圆形断面临界水深的新近似计算公式》，《长江科学院院报》第21卷第2期，2004年4月，文章编号：1001-5485(2004)02-0001-02，作者：王正中、陈涛、万斌、张新民。

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