水库高低渠道放水闸阀流量控制方法

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    1工程概况
    大埌水库位于北流市北流镇六旺村,北纬22°42′26″,距北流城区7km,水库控制集雨面积为0.887km2,坝址以上河流长1.76km,河道比降为39.54‰,是一座以灌溉为主、兼顾养殖的小(2)型水库。工程于1956年10月兴建,1957年7月竣工。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水设施等建筑物组成。设计洪水标准为20年一遇洪水设计,200年一遇洪水校核。20年一遇设计洪水位124.57m,200年一遇校核洪水位124.96m,正常水位123.66m,死水位112.5m。水库总库容42.58万m3,其中调洪库容9.18万m3,兴利库容31.7万m3,死库容10.88万m3。水库设计灌溉面积1250亩,其中高渠道灌溉面积820亩,低渠道灌溉面积430亩。2010年对北流市大埌水库大坝进行安全鉴定,鉴定结论为大埌水库大坝为“三类坝”。其中防洪能力安全等级评价为“C”级。大坝工程质量综合评价为“不合格”。大坝运行管理综合评为“差”。大坝结构安全综合评为“C”级。对大坝运行及除险加固的意见和建议:(1)对大坝坝内坡进行护坡,坝脚重建排水棱体。大坝存在渗漏问题,建议进行防渗处理;加固大坝坝顶。(2)加固溢洪道,完善消能防冲设施。(3)封堵原高低两条放水涵管,新建输水涵洞。(4)加固进库公路,完善管理房及交通通信配套设施。
    2原有放水设施的基本情况
    大浪水库灌溉面积为1250亩,由于灌区高程相差较大,且水库的有效库容较小,不能用一条放水涵管来同时满足整个灌区的用水要求,因此只能采用高低两条放水涵管对高低灌区分别进行灌溉;其中高渠道灌溉面积820亩,低渠道灌溉面积430亩。原高低两条输水涵管均位于大坝右坝肩,为梯级放水孔的穿坝放水涵管。高涵管进口高程为119.2m,涵管长33m,低涵管进口高程为112.5m,涵管长55m。输水涵洞断面尺寸上部为半拱形,净高0.6m,底宽0.4m,设计放水流量0.25m3/s,设计为无压放水涵管,洞壁采用浆砌砖全断面衬砌,衬砌厚度0.25m,底部为浆砌石衬砌,厚度0.3m。输水涵管进水口梯级放水道浆砌石砂浆脱落,出现裂缝,有漏水现象;涵管浆砌石老化开裂、漏水严重,影响大坝安全;放水设施陈旧落后,梯级放水道不能有效控制水量,运行不够安全可靠。输水涵管横断面不满足进人检查最小断面要求。所以必须封堵原输水涵管,另建放水设施,或者破坝拆除原输水涵管,在原位置重新建放水设施。
    3新建放水设施建设方案
    大埌水库原设计有高低两条输水涵管,两涵管现均在使用,现该灌区用水协会要求此次除险加固一定要保留高低两条涵管的正常使用,缺一不可,因为如果只保留高涵管,那么将有10万m3水无法放出使用,相当于半个大浪水库的有效库容,而以前每年低涵管放干水后剩下的死库容都必要抽灌使用,如果只保留低涵管,那么将失去高渠道的820亩灌溉面积。灌区及原渠道情况决定了必须按原高程设置两条输水涵洞;根据库区的地质地貌情况,不能在大坝附近山体开挖放水隧洞,只能是破坝拆除原两条放水涵管,新建放水设施。这样可以减少对原旧放水涵管的封堵工程。(1)方案一:建两座放水涵洞,分别负责高低渠道的放水流量控制;(2)方案二:建一座放水涵洞,通过放水涵洞出口闸阀的控制来调节高低渠道的放水流量。采用方案一(建两座放水涵洞,分别负责高低渠道的放水流量控制)可以对高低渠道进行独立的放水控制管理;采用方案二(建一座放水涵洞,通过放水涵洞出口闸阀的控制来调节高低渠道的放水流量)可以减少一条放水涵洞和一座放水塔等。经过方案比较表可知,采用第二方案(投资58.87万元)比第一方案(91.86万元)节省投资36%,节省投资33万元,且本次小二型小库的除险加固由于对投资的限制,很难同时完成两座放水涵洞的所有设施。所以决定采用方案二。
    4新建放水设施设计
    通过以上分析,决定采用方案二来建设本水库的放水设施,通过以下办法解决高低放水涵洞二洞合一同时对高低渠道进行放水灌溉:(1)只建一座放水涵洞;(2)放水涵洞采用龙翘尾的形式,以达到对高渠道的放水;(3)在放水涵洞的尾部出口位置设进人孔和放水闸阀;进人孔的作用是方便对放水涵洞进行检查、维护、维修,还可以作为排砂排淤;放水闸阀的作用是完成对低渠道的放水灌溉,从放水闸阀放水可以把水库水放到低道死水位高程112.5m,从而完成对库水的充分利用;(4)当放水涵洞采用龙尾出水对高渠道的放水时,整座放水涵洞处于有压流状态,所以放水涵洞必须按压力管设计,最大水压为7m。图1可以方便理解解决高低放水涵洞二洞合一同时对高低渠道进行放水灌溉的建设内容和设计思路。破坝拆除原高低两条放水涵管,新建放水涵洞在原低放水涵管的位置兴建,涵洞全长55m,采用矩形的钢筋砼结构,为了方便进行检查、维护、维修,涵洞净宽1.0m,净高1.6m,管壁厚度为0.3m,管壁均配两层钢筋,纵向φ14@200,横向(环向)φ10@200,涵管四角加加强筋纵向φ14@200,详见图2;为了防止沿放水涵洞壁形成集中渗流,每9m设一截水环,环高0.5m,环宽0.2m;由于放水涵洞在大坝内,温度变化较小,只在放水涵洞中间设一伸缩缝,伸缩缝用橡胶止水;龙尾采用壁厚为10mm直径为400mm钢管,长度从放水涵洞尾部到高渠道。放水涵洞进口采用平板闸门控制,设有工作闸门和检修闸门,放水塔由塔身、启闭层和检修层组成,塔身为钢筋砼结构,启闭层和检修层为矩形的砖混结构,平面尺寸为积2.6m×3.7m;设计流量0.4m3/s,涵洞出口接M7.5浆砌石明渠。
    4.1进人孔为了方便对放水涵洞进行检查、维护、维修和放水涵洞的排砂排淤,在放水涵洞的尾部出口位置应设进人孔;进人孔的孔口尺寸为矩形500mm×700mm;由于放水涵洞为有压涵洞,所以进人孔必须满足进人和止水的要求,具体作法为:内垫钢板、止水橡胶和外压钢板用螺栓紧密连接;内垫钢板在放水涵洞尾部砼浇筑时预埋作为止水的内垫层,内垫钢板厚为12mm,宽为150mm,钢板的内孔尺寸为500mm×700mm,外框尺寸为800mm×1000mm,钢板中间开φ16螺纹孔28个;止水橡胶的厚度为15mm,内外框尺寸及开孔同内垫钢板;外压钢板选用厚为20mm,外框尺寸为800mm×1000mm,由于高低渠道高差为约7m,外压钢板应最少能承受7m水压,最大压强为70kN/m2,外压钢板的受压面积为700mm×900mm,经核算,所选定的外压钢板能承受最大水压,但为了加强外压钢板的刚度,在压板的长边方向加焊接三条角钢∠125×80×12;为了进人孔的耐久使用,均选用铜螺栓、铜螺母;所有的钢件必须按规范作防腐、防锈处理。
    4.2低渠道放水闸阀当低渠道需要放水灌溉时,由低渠道放水闸阀放水;闸阀选用φ300,安装于放水涵洞的尾部出口的进人孔旁边;为了避免闸阀受日晒雨淋,在闸阀位置的渠道顶加盖钢筋砼盖板;低渠道放水闸阀受到的最大水压为7m,按孔口出流计算,闸阀出口的最大水流速度可达12m/s,为了避免渠道受冲刷破坏,必须作消能防冲处理,消能处理方法为在闸阀出口加接90°的钢管弯头,让水流方向垂直射向渠道底面,再在出流口后2m处建砼堰,使淹没水深大于500mm。
    5放水设施的使用方法
    本工程放水设施的使用和其他工程放水设施的不同之处在于用一套放水设备控制高低渠道的放水流量;高低渠道的流量控制方法有两种:(1)分别在高低渠道放水灌溉。当高渠道需要放水时,控制放水塔工作闸门的开度使放水流量等于高渠道的需水流量,闭关低渠道放水闸阀,进行高渠道的放水灌溉;当低渠道需要放水时,控制放水塔工作闸门的开度使放水流量等于低渠道的需水流量,打开低渠道放水闸阀,进行低渠道的放水灌溉;(2)同时进行高低渠道放水灌溉。控制放水塔工作闸门的开度使放水流量等于高低渠道的需水流量之和,调节低渠道放水闸阀的开度,使出水量分别等于高低渠道的需水流量;为了使流量控制准确,需要对放水塔工作闸门和低渠道放水闸阀进行反复调节,逐渐积累经验。
    6设计思路的延伸
    以上是用一套放水设备完成对高低渠道放水的解决方法,经实践检验,安全、实用,且比传统的解决方法节省投资36%;当工程中出现有3条高程不同的放水涵管时,也可用这种方法来解决:用一套放水设备同时完成对高中低3条渠道的放水,且比传统的解决方法节省投资比例更大;用一套放水设备同时完成对高中低3条渠道的放水和用一套放水设备完成对高低渠道的放水的,两者的作法基本相同,只是前者在涵洞出口至高渠的钢管之间增加安装中渠道的钢管及中渠道的控制闸阀,见图3.
    7推广应用
    水库的主要任务之一是水利灌溉,反映它的作用大小的一个重要指标是水库的灌溉面积,为了体现一个水库的作用,在水量能满足的情况下,尽可能地扩大它的灌溉面积;而灌溉面积是由不同高程的各片区组成;综合考虑灌区高程和水库库容因素,能提高灌溉面积的最好方法就是采用多个不同高程的放水涵管配合相应高程的灌溉渠道。所以水库的放水设施由不同高程的放水涵管组成有它实际存在的必要,且非常普遍。按粗略统计,北流市的51座小二型水库中,有8座水库有两条不同高程的放水涵管,占15.7%;由于资料及时间的原因,无法对全区的情况进行统计,如果都按这个比例推算,全区有约600座水库有两条不同高程的放水涵管。以大浪水库为例,放水涵洞采用龙翘尾型式用一套放水设备完成对高低渠道放水,可以节省投资33万元。如果全区的600座水库在以后的除险加固中放水涵洞都参照这种型式进行改造,可节省资金19800万元,这是一个非常可观的经济数字。从去年北流市大浪水库的放水涵洞采用龙翘尾型式的实施情况来看,一切均按原设计正常进行,没有出现不能解决的技术问题。从几次的试运行情况来看,高低渠道的流量控制均准确,各种操控方便可靠;参加工程验收的设计方、业主方、监理方、施工方等各参与方均认为此种解决方法节省投资明显,技术可行,施工简单,用地少,运行管理方便。