吳換營(yíng)

（天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，300204，天津）

多功能自動(dòng)調(diào)節(jié)堰井的研究與應(yīng)用

吳換營(yíng)

（天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，300204，天津）

針對(duì)有壓重力輸水工程采用調(diào)節(jié)閥存在的問(wèn)題，提出了多功能自動(dòng)調(diào)節(jié)堰井這一新型控制性建筑物，介紹了多功能自動(dòng)調(diào)節(jié)堰井的結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)、性能以及在南水北調(diào)中線(xiàn)天津干線(xiàn)工程的應(yīng)用情況。實(shí)踐證明，多功能自動(dòng)調(diào)節(jié)堰井能夠?qū)崿F(xiàn)水頭的自動(dòng)調(diào)節(jié)，且運(yùn)行控制簡(jiǎn)單。

南水北調(diào)工程；天津干線(xiàn)；水力控制；多功能自動(dòng)調(diào)節(jié)堰井

一、問(wèn)題的提出

長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)中有可利用地形高差時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇有壓重力輸水方式。輸水管徑是在充分利用現(xiàn)有水頭條件下由最大流量決定的，但在輸水過(guò)程中，輸水流量往往是變化的，故常在管道末端設(shè)置調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)流量。常用的調(diào)節(jié)閥有環(huán)噴式調(diào)節(jié)閥和網(wǎng)孔套筒式調(diào)節(jié)閥兩種。這兩種調(diào)節(jié)閥的技術(shù)均源于美國(guó)貝利公司，都具有流量、壓力調(diào)節(jié)范圍大，精度高，且耐氣蝕性能優(yōu)良，噪聲和振動(dòng)小，啟閉力矩小等特點(diǎn)，并可根據(jù)流量、壓力（或水位）的變化要求，采用可編程控制器（PLC）控制其開(kāi)度，調(diào)節(jié)流量。兩種閥在國(guó)外都有較多成功案例，但在我國(guó)使用不多。

但是采用調(diào)節(jié)閥會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題：小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，水頭損失減少，導(dǎo)致管道壓力增加，如圖1中②線(xiàn)所示，停止輸水時(shí)，管道承受全部水頭，如圖1中③線(xiàn)所示，帶來(lái)如下相應(yīng)問(wèn)題：一是增加工程投資，二是為避免產(chǎn)生較大的水擊壓力，危及工程安全，控制程序嚴(yán)格，運(yùn)行管理復(fù)雜；三是用電負(fù)荷級(jí)別高；四是調(diào)節(jié)閥的核心部件嚴(yán)重依賴(lài)國(guó)外，維護(hù)不方便。

鑒于上述情況，有必要開(kāi)發(fā)研究一種新型簡(jiǎn)便的水力控制方式和裝置。

二、多功能自動(dòng)調(diào)節(jié)堰井的結(jié)構(gòu)形式、水力特性和原理

1.結(jié)構(gòu)形式

多功能自動(dòng)調(diào)節(jié)堰井由堰井段和明槽段組成，兩者之間為消波板，詳見(jiàn)圖2。堰井段的主要作用有：①調(diào)節(jié)水頭、消除多余能頭，②使管涵始終處于滿(mǎn)水和有壓狀態(tài)，③非恒定流過(guò)程中起調(diào)壓井作用。明槽段的主要作用有：①調(diào)整跌水水躍之后水流的流態(tài)，②使水中氣泡在較短的流程內(nèi)逸出，避免進(jìn)入下游流道，③起調(diào)壓井的作用。在堰井段、明槽段設(shè)置橫向梁，同時(shí)起消能、均化水流和消渦作用。消波板的主要作用是抑制水面波動(dòng)，阻擋氣泡，使之提前逸出。

（1）堰頂高程的確定

堰頂高程的確定原則：一是保證管涵進(jìn)、出口分別滿(mǎn)足一定淹沒(méi)深度的要求；二是設(shè)計(jì)流量時(shí)，調(diào)節(jié)堰井的水頭損失盡量小，見(jiàn)圖3。這樣就可確定堰頂高程。若不能同時(shí)滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件，可采取降低管道的措施。圖3中①線(xiàn)為設(shè)計(jì)流量壓坡線(xiàn)，②線(xiàn)為最小運(yùn)行流量時(shí)的壓坡線(xiàn)，D為輸水箱涵高度，h1為最小運(yùn)行流量時(shí)管道進(jìn)出口水位差，h2為最小運(yùn)行流量時(shí)下游堰堰頂水深，h3為堰頂與上游

管道進(jìn)口的高程差，h3=1.5-h1-h2。

（2）調(diào)節(jié)堰井長(zhǎng)度的確定

堰中心距前胸墻距離L1應(yīng)以不小于管道高度為原則。堰后長(zhǎng)度L2、L3應(yīng)以保證流態(tài)平穩(wěn)、水位及流量穩(wěn)定、防止氣泡進(jìn)入下游有壓管道為原則。根據(jù)調(diào)節(jié)堰井的水力特點(diǎn)，確定堰后長(zhǎng)度由水舌跌落距離、水躍長(zhǎng)度、躍后段長(zhǎng)度確定，其計(jì)算公式如下：

①前斷面水深h1

圖1 不同控制方式不同流量壓力線(xiàn)示意圖

式中，q為單寬流量q＝Q/b；φ為流速系數(shù)，取φ＝1.0；E0為總能頭；h1為躍前斷面收縮水深。

②弗汝德數(shù)Fr1

④水舌跌落距離l1

式中，F(xiàn)r1為躍前斷面水流的弗汝德數(shù)，其他同前。

③躍后斷面水深h2

式中，h0＝h上+υ2/2g，h上為堰上水深；p為跌差。

（3）消波板及消能消渦梁的設(shè)置

堰中心距消波板中心距離l2應(yīng)小于或等于l1+l2；消波板底距調(diào)節(jié)堰井底板距離應(yīng)不大于下游管道高度。

在堰井段消波板前、明槽段壓力管道進(jìn)口前分別設(shè)置消渦梁。圖2中所示消渦梁的布置形式（高程、水平間距）適合于水深變化較大的情況。消波板前的消渦梁同時(shí)起消能、均化水流和消渦作用；后部的消渦梁強(qiáng)制改變進(jìn)口前的流態(tài)，可避免在消波板處產(chǎn)生挾氣漩渦并將其帶入明槽段。明槽段壓力管道進(jìn)口前的消渦梁，僅起均化水流和消渦的作用，最直接、有效地防止產(chǎn)生挾氣漩渦，避免氣泡進(jìn)入有壓管道。

水工模型試驗(yàn)證明，調(diào)節(jié)堰井總長(zhǎng)度、消波板及消能消渦梁的布置形式及尺寸均比較合理，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，表明工程布置、結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方法是科學(xué)合理的。

2.主要水力特性

調(diào)節(jié)堰井中溢流堰的水力邊界條件明顯不同于渠道、水庫(kù)大壩中的溢流道（堰閘），因此，在天津干線(xiàn)8座調(diào)節(jié)堰井中選取具有代表性的#3、#6進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，#3堰體最高，#6屬于中低堰體。

（1）過(guò)流能力計(jì)算公式

式中，Q為輸水流量，m3/s；ε1為側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒(méi)系數(shù)；m為流量系數(shù)；b為堰寬，m；h0為堰上水頭，m。

（2）流量系數(shù)

圖2 調(diào)節(jié)堰井縱剖面示意圖

圖3 調(diào)節(jié)堰堰頂高程確定方法示意圖

流量系數(shù)是反映水工過(guò)流建筑

物過(guò)流能力的一個(gè)綜合參數(shù)。不同高度的堰，其流量系數(shù)略不相同。3#、6#調(diào)節(jié)堰井的流量系數(shù)分別為0.443和0.433，低堰比高堰的稍大，兩者差值很小，相差僅2.3％。以上表明，從工程應(yīng)用上講，只要堰體型確定，其流量系數(shù)可以認(rèn)為是一個(gè)定值，受堰的高度影響并不明顯，完全滿(mǎn)足工程要求。

（3）淹沒(méi)系數(shù)

從圖4、圖5中可以看出：溢流堰為淹沒(méi)出流時(shí)，淹沒(méi)系數(shù)按各圖所對(duì)應(yīng)的擬合公式計(jì)算，淹沒(méi)系數(shù)隨淹沒(méi)度增大而減??；當(dāng)淹沒(méi)度大于0.6時(shí)，淹沒(méi)系數(shù)隨淹沒(méi)度增大而急劇減小。

圖4 #3調(diào)節(jié)堰井淹沒(méi)系數(shù)與淹沒(méi)度關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 #6調(diào)節(jié)堰井淹沒(méi)系數(shù)與淹沒(méi)度關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 調(diào)節(jié)堰井水頭調(diào)節(jié)能力圖

3.水頭調(diào)節(jié)原理

多功能自動(dòng)調(diào)節(jié)堰井水頭調(diào)節(jié)能力用水頭損失系數(shù)ξ與相對(duì)水深h/p2（堰后水深h與下游堰高p2之比）的關(guān)系表示，相對(duì)水深增加，水頭損失系數(shù)減小，并趨于常數(shù)。詳見(jiàn)圖6。

從圖4、圖5、圖6可以看出，小流量時(shí)，堰下游水位低（即相對(duì)水深?。?，堰上下游水位差大，屬于自由堰流，存在明顯的跌水現(xiàn)象（即水頭損失系數(shù)大），如圖6中曲線(xiàn)上部的較陡段；大流量時(shí)，堰下游水位高（即相對(duì)水深較大），堰上下游水位差小，屬于淹沒(méi)堰流，跌水落差變?。此^損失系數(shù)小），如圖6中曲線(xiàn)下部的平緩段；當(dāng)流量增加到一定程度時(shí)，堰上、下游水位均增加 （即相對(duì)水深較大），跌水落差很小，屬于高淹沒(méi)度堰流，淹沒(méi)系數(shù)趨于1，水頭損失系數(shù)趨于定值。調(diào)節(jié)堰井正是利用過(guò)堰流態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)水頭的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

三、多功能自動(dòng)調(diào)節(jié)堰井在天津干線(xiàn)中的應(yīng)用

南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程天津干線(xiàn)西起河北省徐水縣西黑山村，東至天津市外環(huán)河西，全長(zhǎng)155.3 km，途經(jīng)河北省保定、廊坊和天津市武清、西青、北辰共11個(gè)區(qū)縣。設(shè)計(jì)流量為50 m3/s，加大流量為60 m3/s。

天津干線(xiàn)地形高差64 m，輸水過(guò)程不均勻，流量30～40 m3/s的輸水時(shí)段較長(zhǎng)，水量較大。如何利用自然水頭、采取何種安全可靠的輸水形式輸送不同流量，是本工程方案選擇的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)中進(jìn)行了不同輸水方式和形式的綜合比選，最終采用全箱涵無(wú)壓接有壓自流輸水方案。

在有壓輸水段縱斷面設(shè)計(jì)中，對(duì)5～9座調(diào)節(jié)堰井方案分別從水頭損失影響分析、水力控制影響分析、工程量與投資和工程運(yùn)用管理等方面進(jìn)行了綜合比較，最終選擇8座調(diào)節(jié)堰井的方案。

通過(guò)設(shè)置調(diào)節(jié)堰井，小流量輸水時(shí)，多余水頭在8座調(diào)節(jié)堰井處分別消耗，管道沿線(xiàn)壓坡線(xiàn)呈階梯布置形式，避免形成如圖1中②線(xiàn)所示壓坡線(xiàn)；在停水時(shí)，還能保證管道所需的最小壓力要求，如圖1中④線(xiàn)所示，避免形成如圖1中③線(xiàn)所示壓坡線(xiàn)；流量增加時(shí)，溢流堰上、下游水位提高，落差變小，加大流量輸水時(shí)，落差僅相當(dāng)于管道4個(gè)直角的水頭損失，是最小的水頭損失，即圖3中曲線(xiàn)水平值，天津干線(xiàn)管道流速為1.05 m/s，落差為0.22 m，水頭損失很小，工程起止端水頭全部得到利用。與采用調(diào)節(jié)閥時(shí)的情況正好相反，設(shè)計(jì)流量時(shí)管道壓力是最大的，如圖1中①線(xiàn)所示，這樣能大大降低管道壓力，既節(jié)省管道投資8.0億元，又有利于安全輸水。

實(shí)踐證明，調(diào)節(jié)堰井技術(shù)原理簡(jiǎn)單，水力調(diào)控性能好，安全可靠，施工方便，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，值得推廣應(yīng)用。 ■

［1］天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程天津干線(xiàn)可行性研究報(bào)告［R］.2005.

［2］吳換營(yíng).一種帶有自動(dòng)調(diào)節(jié)堰井的重力有壓輸水系統(tǒng)：中國(guó)，ZL2009 10093969.7［P］.2011-07-20.

［3］河海大學(xué)，天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程天津干線(xiàn)調(diào)節(jié)堰井水工模型試驗(yàn)研究［R］.2007.

［4］吳換營(yíng)，寧金鋼，王云靜.南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程天津干線(xiàn)輸水方案論證［J］.南水北調(diào)與水利科技，2014（2）.

責(zé)任編輯 楊 軼

Studies on multi-function automatic-regulated weir well and its application//

Wu Huanying

Considering problems with pressured gravity water conveyance structures with regulating valve，studies have been made on new types of control structures namely multi-function automatic-regulated weir wells. Introductions are made mainly on structure type，features and performance of weir well and its application to Tianjin Mainline Scheme of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.It is proved to be usable for automatic regulation of water head and can be easily controlled.

South-to-NorthWaterDiversionProject；TianjinMainline；hydrauliccontrol；multi-function automatic-regulated weir well

TV5

B

1000-1123（2016）10-0030-03

2016-01-04

吳換營(yíng)，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。