石桥水电站供水管路消能井设计与施工探析

鲁　林

(辽宁省东水西调工程建设局，辽宁 沈阳 110003)



石桥水电站供水管路消能井设计与施工探析

鲁林

(辽宁省东水西调工程建设局，辽宁 沈阳 110003)

【摘要】辽宁凤城石桥水电站工程针对供水管路水头高、水压大，及下游衔接渠道冲蚀严重等问题，在管道中部设置水力消能井来降低水压。本文对该水电站供水管路消能井的设计与施工作了分析，为类似工程提供了一定的参考经验。

【关键词】供水管路；消能井；深筒式；结构设计

1工程概况

石桥水电站是辽宁凤城市爱河下游水能开发最上一级电站，位于凤城市东汤镇石桥村唐家堡子附近，距草河入河口(花家堡)2.63km左右。该电站总装机容量9600kW，多年平均发电量2136万kW·h，属于径流式小型水电站。水电站引水系统由取水塔、引水隧洞、压力钢管、发电机组组成。取水塔高40m，双圆筒式结构，分为8层。

引水隧洞直径3m，长105m。隧洞出口为三通井，两侧分别接DN2000型放水管和DN1200型压力钢管，压力钢管长30m，分三根岔管引入发电厂房，分别供给3台3200kW发电机组。

电站排出的尾水接灌渠，供周边农业灌溉使用。为降低尾水压力，减弱水流对渠道的冲蚀，在尾水出口设置深筒式水力消能井。消能井工作水头30m，设计引水流量3m3/s，加大引水流量3.5m3/s。

2消能井工作特性

重力流水电站供水系统最重要的减压措施之一是调节压力和调流，当输水管道除了输水水头损失之外还剩余过多水头，并可能对下级水路有损害时，就需要选择消能工进行减压消能[1]。当前输水工程中主要采用的水力消能方式有两种：一种是基本消能，例如挑流、底流、戽流和面流消能；第二种为特殊消能，如采用水流冲击或喷流，以及深井消能等。结合该工程输水管道出口水头高、流量小的实际情况，采用深筒式消能井较为经济合理。

深筒式消能井的消能原理是：输水管道中具有高势能的水流，经转弯沿进水管轴线垂直方向射入井底，水射流强烈冲击井底，水流与井底形成的水垫剧烈撞击，随后与井底、井壁剧烈碰撞，造成的紊流翻滚上升，同时消耗掉了大量能量，经消能井上端的出水口溢出排走,进入下一级渠道或管道[2]。

3消能井设计

该工程深筒式消能井采用钢筋混凝土浇筑结构，设计为圆形断面，井内水面为自由水面，无压力。按照通常的消能井设计规格，井深一般为6～10m，直径取3～4m。进水管管口朝下设置在井壁下部，使用长螺丝固定于井底预制水泥墩上。溢水口位于消能井上部另一侧,距井口顶部一般为1.0～1.5m。进水管和出水管采用内径为0.8m的高压玻璃钢夹砂管，糙率为0.009，承压0.6～1.8MPa。

3.1进水管管径

消能井进水口处形成射流是水力消能的主要环节，合适的管径才能形成最有效的射流。管径如果太小，则射流能量过于集中，对井底和井壁的冲刷较大；管径如果太大，则形不成足够的紊流，水流能量依然较大，实现不了消能井的作用[3]。因此，确定管径的原则为：能将管道内总水头全部转化为出水口水流动能。管径具体计算过程如下：

a.总水头计算。水头损失是影响水流能量的主要因素之一，也是管径选取的重要参考量之一，该工程按照式(1)对总水头进行简单计算。据现场试验数据可知，当闸门开度60%时，水头损失系数K=2.8，根据HT=30m，最终求得v=12.44m/s。

(1)

式中v2/(2g)——水流动能；

b.管径计算

该工程按照式(2)计算进水管横截面积，得A=0.241m3，进而可求得管径D=0.554m，最终确定消能井出水口直径为0.55m。深筒式消能井在水流量较小时消能率较低；随着流量逐渐增大，消能率也逐渐提高；当流量增大到一定程度时，消能率趋于极限，并逐渐稳定[4]。

(2)

式中Q——进水管平均流量；

v——进水管水流速度。

3.2消能井尺寸

消能井尺寸的设计主要是选择井深与井宽的比值d/b，比值取值范围为1.0～2.0，一般取1.5。根据管径D、设计流量Q及下游衔接渠道容许波高值h，计算消能井参数[Q2/(gD5)]1/2及h/D值。

如图1所示，根据有关研究资料中消能井参数计算图，代入上面出口管径的计算结果，查得b/D值，依据图1取值，计算得井宽值b。下游衔接渠道设计断面为梯形，边坡为1∶1.5，渠道水深Y=b/2，若Y≠b/2，则调整井深d，使d+Y=d+b/2。

对消能井结构尺寸设计进行模型模拟试验研究，设计多组方案进行比较。根据实验研究，溢流出水管对井水深度有一定影响。若出水口位置高，则消能效果好但是建设成本高；若出水口位置低，则井深浅投资小，但水流容易溢出，系统不稳定[5]。结果表明：当流量为1.5m3/s或压力达到1.8MPa时,消能井内水深为5.40m，超出溢水口中心线平面0.8m，井中水面稍有扰动，但井水位上升幅度较小，消能程度为0.03，完全达到预期效果。

图1　消能井参数[Q2/(gD5)]1/2与h/D关系

在实际施工中，消能井设计参数应根据实际地形和下游衔接渠道情况进行适当的调整。

3.3消能井结构

如图2所示，消能井设置为直径为2.4m的双井构造，上部覆盖钢筋混凝土预制井盖，一侧井底设输水管控制阀，盖板和井壁设人孔和爬梯供人员出入，井壁厚0.5m，输水管为DN800型，半球阀开关；输水管横穿控制阀到另一侧消能井，管道直径由井壁开始收口至0.55m，接弯头管，管口垂直朝下。井底及下半部井壁铺10mm钢板，上部井壁设出水口，与出水渠道相连。

图2　水力消能井结构示意图(单位：cm)

3.4消能井施工

石桥水电站供水管线为地下深埋式线路，消能井设置于管线与灌渠相接的平坦地带。施工前根据消能井设计尺寸开挖土方，坑基采用三七灰土进行换填夯实，井壁构筑完成后也采用三七灰土对周边进行回填，并夯填至地面。消能井采用下埋式箱式结构，消能井内径2.4m，浇筑壁厚0.5m，底板厚0.4m，井底距出水口渠道底板4.3m，最大井深6.55m；在出水口设钢丝防护网以防杂物入井，在消能井顶部建管理房。为了使井底和近底井壁经得住射流的长期冲刷，在井底和近底井壁安装了1.9m高、10mm厚的钢板，钢板与井底(壁)混凝土使用锚筋牢固连接。输水管出口高出底板50cm，管口设高强螺栓与底板水泥墩牢固连接，水平设钢筋拉杆与井壁紧固连接，确保管口稳固，消能井管道上游侧设置控制阀井及钢筋混凝土镇墩满足管路安全运行的要求。

4结语

在辽宁凤城市水电站供水管路消能井设置中，设计采用深筒式消能井设计，结构简单、占地面积小、使用周期长、效能效果好，且出水流对渠道冲刷明显减弱。通过设计与施工，辽宁凤城市水电站供水管路消能井于2012年投入使用，在水库正常水位时，按设计引水流量3m3/s运行。水流经过消能井后，势能大大降低，水流平缓，井中水面浮有少量白色泡沫，水量无大幅波动，运行平稳。当引水量加大时，水流出现波动，井中波浪高度在0.2～0.3m之间，水流入渠后水面平缓，消能井总体设计效果良好。

参考文献

[1]赵经华，侍克斌，马亮，等.阿拉山口输水管道消能井结构试验研究[J].人民黄河，2010(3):92-93.

[2]黄凤岗.水电站工程水能的计算方法研究[J].中国水能及电气化，2015(5)：46-48.

[3]廖常德,周力.具有消能井的竖井溢洪道及其消能率计算[J].西北水电，2006(3):46-52.

[4]张辉，张驰，徐亮，等.浅谈水利工程施工技术[J].中国水能及电气化，2010(12)：52-55.

Analysis and discussion on water supply pipeline energy dissipation well design and construction in Shiqiao Hydropower Station

LU Lin

(LiaoningEast-to-WestWaterTransferProjectConstructionBureau,Shenyang110003,China)

Abstract:Hydraulic energy dissipation well is set in the middle part of the pipeline for reducing water pressure in Liaoning Fengcheng Shiqiao Hydropower Station Project aiming at high water head and large water pressure of water supply pipeline, serious erosion on downstream connected channel, etc. In the paper, the design and construction of hydropower station water supply pipeline energy dissipation well is analyzed, which provides certain reference experience for similar projects.

Key words:water supply pipeline; energy dissipation well; deep cylinder; structure design

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.015

中图分类号：TV653

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2016)06- 0051- 03