南水北调邢石段西于科排水倒虹吸水力设计与分析.pdf

南水北调邢石段西于科排水倒虹吸水力设计与分析张中建 2 5 【 设计 与施 工 】 南水北调邢石段西于科排水倒虹吸水力设计与分析 张 中 建 ( 河北省水利水 电勘测设计研 究院 ， 天 津 3 0 0 2 5 0 ) [ 摘要] 文章通过左岸排水典型建筑物西于科排水倒 虹吸 水力计算来确定孔 口尺寸。保障下泄 洪水 畅通 ， 维护 总 干渠 的安全 。 [ 关键词] 南水北调 ； 西于科沟排水倒虹吸 ； 水力计算 中图分类号： T V 2 2 2 文章标识码： B 文章编号： 1 0 0 9— 0 0 8 8 ( 2 0 1 4 ) 0 2— 0 0 2 5—0 2 1 工程概 况 西于科沟排水倒虹吸位于河北省元 氏县西于科村 南约 6 5 0 1T I 处 ， 由进 口段 、 管身段 、 出口段等部分组成 。 管身断面尺寸 2 m 3 m 3 m。 洪水标准按 5 0年一遇洪水设计 ， 2 0 0年一遇洪水 校核 。 表 1 水位流量关 系 2 水力计算 2 ． 1 说 明 水力计算时 ， 将天然水位 ～流量关系曲线作 为建 筑物 出口处水位 ～流量关系 曲线 ， 推求出建筑物上游 水位 ， 倒虹吸的进 口设计水位 即为设计洪水 调洪的最 高水位。拟定若干孔 口尺寸及进出 口底高程 ， 根据各 频率洪水 的调算结果 ， 综合 比较选择合理方案 。倒 虹 吸孑 L 口尺寸确定时： ①进 口底高程 的确定应 满足设计 洪峰流量情况下 ， 进 口淹没深度不小于 1 ． 5 m； ②为避 免建筑物 出口造成 冲刷或设置过大消能工 ， 适当控制 倒虹吸管 内流速 ， 低 标准洪水一般为 1 ． 0—2 ． 0 m ／ s ， 设计洪水标准 3 ． 0～ 4 ． 0 m ／ s ， 校核洪水标准 6 ． 0 m ／ s 左右； ③为方便清淤， 倒虹吸管身横断面尺寸不小于 1 ． 5 m 1． 8 m 。 按照压力管道恒定流的基本方式 ， 经过试算选择 适宜的流速和管径 。 2 ． 2过水 断面 的确 定 倒虹吸过水断面的确定 以校核洪水时的管 内流速 控制在 6 m／ s ， 设计洪水 时进 口有一定 的壅高值为主 要原则。计算过程为 ： 先通过基本资料天然河沟 中心 水位及地面高程确定 h 天 然 上 游 及 下游水位 h -F 游。然后 确定 h 上 游：h 下 游+z 。最后计算 出上游水位 壅高值 △ =h E游 一h天 然上 游。 2 ． 2 ． 1 断面设计 ( 以 2 0 0年 为例 ) 断面形状 ： 本设计采用箱形倒虹吸管 ( B( 宽)=H ( 高) ) ， 初拟过水断面尺寸为 ： 2孔 ， 抹角 b =0 ． 4 m 2 ． 2 ． 2水头损失计算 ( 1 ) 水头损失计算公式 ： 总水头损失 ：Z =h +h i 式 中z 一 总水头缺失 ， m； h 一沿程水头损失 ， m； h i 一局部水头损失 ， IT I 。 ( 2 ) 沿程水头损失 ： h f = ； 8 g ／C2； C =R n 取糙率 n= 0 ． 0 1 4， L= 9 1 ． 5 3 m 水利半径 ： R=( B 一b X2 ) ／ ( B一2 b ) 4+√ 2 b X4 =0． 78 5 m 谢才系数 ： C=R 。 ／ n= 6 8 ． 6 0 沿程阻力系数 ： =8 g ／ c = 0 ． 0 1 6 7 过水断面 ： ( 1 ) =( BH ／ b 2 4 ) 2 7 -． 1 7 ． 3 6 m 设计流速： v 7 - Q ／ ( 1 ) == 4 ． 9 5 m ／ s < 6 m ／ s ， 满足要求。 沿程水头损失 ： h r = ∈ r V v2 0．01 6 7 91 ． 5 3 一— hL 4 R 垒 ： ：： 0 ．61 m 29． 81 ’ ⋯ ( 3 ) 局部水头损失 h j a+∈ 弯 道+ 出 ] V 式中 进 。 一进 口损失系数 ， 与进 V I 形 状是否圆滑顺 畅有关 ， 1T I ； 出 卜一 管道流人明渠的损失系数， m； 2 6 内 蒙 古 水 利 2 0 1 4年第 2期( 总第 1 5 0期) ‘ 耷 措] 一弯道损失系数。 进 口为缓坡渐变段 ， 采用圆弧墙 ， ‘ 辨 = 0 ． 2 5 按照《 南水北调中线工程总干渠设计大纲》 之《 左 岸排水建筑物土建工程初步设计大纲》的要求 ， 本工 程设计不设置节制闸和拦污栅。 弯道损失系数 ： 按照《 水工设计手册》 基础理论 ， 表 3— 4—1 2 ， 取 ∈ 弯 漕= 0 ． 1 出口损失系数 ： 取 ∈ 出 = 0 ． 3 0 总局部水头损失 ： h i = 0 ． 8 1 m h j = [ 0 ． 2 5 + o ． + 0 ． 3 0 ] 芝 } = 0 ． 8 m ( 4 ) 总水头损失 ： z =h + h i =1 ． 4 2 m 表 2 水头损失计算成果 由表 2可以看出， 设计洪水及校核洪水工况下 ， 总 水头损失均小于上下游水位差 ， 倒虹吸管身断面尺寸 满足过流能力要求。 2 ． 3 流量复核 ( 5 0年 ) 压力管流公式 ： 倒虹吸管内的水流为压力管流， 过 水能力可按压力管道公式计算 Q= (1) ,／ 2 g , 1 1 式中Q 一过水流量 ， m ／ s ； ‘ 1 ) 一过水面积 ， m ； z 一进出口水位差 ， m； 一 流量系数 ； ∈ 一沿程阻力系数 ； ∑∈ 一局部阻力系数之和； L 一建成管道实际全长， m； D。 一单孑 L 净宽 ， m； v 一管内平均流速 ， m ／ s 。 一 L — ． = 二 二 二 二 二 = = =l_ = = = = 一： 0 ． 9 3 8 ／ 0 ． 0 1 6 7 + 0 ． 6 53 ～ 设计洪水情况 ： z：h E游 一h 下游 =0． 8 3 m Q= 【1) ,／ 2 g z = 0 ． 9 3 81 7 ． 3 6 X 、 丽= 6 5 ． 7 1 m ／ s 表 3 过流能力计算成果 由表 3可以看 出， 计算流量均大于设计流量 ， 倒虹 吸管身断面尺寸满足过流能力要求 。 2 ． 4 下游海漫长度计算 当√ q △ H = 1 — 9 ， 且消能扩散良好时， 海漫 长度可按下式计算 ： 厂—————===== L p = K s √q AH 式中L p 一海漫长度， m； q 一消力池末端单宽流量 ， m ／ s ； K s 一海漫长度计算系数 ， 取 1 2 ； △H 一上下游水位差 ， m。 5 0年设计工况 ： L p =1 8 ． 2 m， 2 0 0校核工况 L p= 2 4． 5 m。 2 ． 5 冲刷深度计算 d 式中d 一海漫末端河床冲刷深度 ， m； q 一海漫末端单宽流量 ， m ／ s ； [ v 0 ] 一河床土质允许不冲流速 ， m ／ s ， 取 1 m ／ s ； h 一海漫末端河床水深 ， m。 以 5 0年为例 ， q =Q ／ B=1 ． 7 6 m ／ s ， h = 2 ． 6 2 m， d =一 0 ． 6 8 m， 2 0 0年 d =一 0 ． 9 8 m 为了下游出口安全设置 1 ． 5 m深齿墙。 3 结语 在确定倒虹吸涵管孔 口尺寸时应根据各频率洪水 的调算结果 ， 在不影响南水北 调总干渠运行安全 的前 提下选择合理的孔 口尺寸 ， 同时 ， 孔 口过水断面尺寸不 能富裕过多， 造成工程投资的浪费 ， 综合 比较选择最优 方案。 ( 编校 ： 郭宝丽 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 4— 0 3—1 1 作者简介： 张中建( 1 9 8 1 一) ， 工程师， 主要从事水利水电工 程设计工作。