水库除险加固中钢围堰导流管的应用研究

李文龙

(山东临沂水利工程总公司，山东 临沂 276000)

0 引 言

在以往针对水库除险加固的研究中,主要采用虹吸放水管加固水库,但此种方法在应用中存在加固平均流速低的问题。为此,本文研究水库除险加固中钢围堰导流管的应用,致力于通过钢围堰导流管提高水库除险加固平均流速。

1 划分钢围堰导流管管径在水库除险加固中适用范围

在水库除险加固中钢围堰导流管的应用研究中,必须预先掌握不同钢围堰导流管管径在水库除险加固中适用范围,确保钢围堰导流管管径在水库除险加固中应用的可行性[1]。本文采用计算钢围堰导流管水力的方式,选择与水库除险最大洪水流量相匹配的钢围堰导流管管径。设钢围堰导流管水力的计算表达式为Q,可得公式(1)。

(1)

式中：μ为水力流量系数;c为钢围堰导流管水力流量损失系数,通常情况下取值为0.55;A为钢围堰导流管横截面面积;g为钢围堰导流管自由出流下的管道水头;h为钢围堰导流管淹没出流下的管道水头。通过公式(1),计算得出钢围堰导流管水力,以此划分钢围堰导流管管径在水库除险加固中的适用范围,见表1。

结合表1所示,选择适用的钢围堰导流管加固水库除险。设计的基于钢围堰导流管的水库除险加固方法具体内容,如下文所述。

2 基于钢围堰导流管的水库除险加固方法

在通过计算得出钢围堰导流管水力,明确钢围堰导流管管径在水库除险加固中适用范围的基础上,基于钢围堰导流管设计水库除险加固方法。基于钢围堰导流管的水库除险加固流程图,如图1所示。

图1 基于钢围堰导流管的水库除险加固流程图

结合图1所示,本文针对图中5步主要流程加以详细研究,具体如下。

2.1 确定钢围堰导流管在水库除险加固中安装位置

在应用钢围堰导流管加固水库除险过程中,必须确定钢围堰导流管在水库除险加固中安装位置。因钢围堰导流管对架体的侧压力大,为增加架体的整体稳定性,将钢围堰导流管与水库溢洪道位置两侧结构柱进行刚性连接[2]。为达到加固效果,钢围堰导流管在安装过程中采用双层木胶合板,上下层面板用铁钉固定,保证其安装位置适用于水库除险的具体情况。通过安装钢围堰导流管提高水库除险加固的抗侧刚度,还可以结合刚度较大的外套筒拟制中心直接与支撑进行连接。

2.2 计算水库除险加固中钢围堰导流管导流能力

确定钢围堰导流管在水库除险加固中安装位置的基础上,计算水库除险加固中钢围堰导流管导流能力。钢围堰导流管导流能力作为水库除险加固中最关键的核心指标,能够直接决定水库除险加固中钢围堰导流管的应用效果。本文考虑到钢围堰导流管在不同状态下的导流能力,分别为:自由出流、过度出流以及淹没出流。设水库除险加固中钢围堰导流管导流能力的表达式为N,可得公式(2)。

(2)

式中:m为钢围堰导流管在水库除险加固中自由出流的流量系数;p为水库围堰上游水深;B为水库围堰的宽度;δ为钢围堰导流管在水库除险加固中过度出流的流量系数;φ为钢围堰导流管在水库除险加固中淹没出流的流量系数。通过公式(2),计算得出水库除险加固中钢围堰导流管导流能力。以此为判据,为下文设定钢围堰导流管在水库除险加固中进、出口高程提供理论依据。

2.3 设定钢围堰导流管的进、出口高程

根据计算得出的水库除险加固中钢围堰导流管导流能力,合理设定钢围堰导流管在水库除险加固中进、出口高程。在设定过程中,必须保证钢围堰导流管在水库除险加固中的水口底部完全淹没在死水位下,保证钢围堰导流管的潜水进口装置处于密封状态,不会出现进水的现象。为保证钢围堰导流管与地库能够保持一定的安全距离,还需要预留出1 m的安全距离。设定钢围堰导流管在水库除险加固中进、出口高程最核心的目的就是保证钢围堰导流管在加固过程中能够正常导流供水,尤其是在直角、转弯处不出现拥塞,进而加快钢围堰导流管加固后水库断面平均流速,达到水库除险加固的目的。

2.4 复核钢围堰导流管的高程真空度

在完成钢围堰导流管在水库除险加固中进、出口高程设定后,还需要进一步复核钢围堰导流管在水库除险加固中高程真空度,保证钢围堰导流管在水库除险加固中的安全性,不出现气体液化的现象[3]。结合以往研究表明,钢围堰导流管在水库除险加固中高程真空度与行进流速有关,基于此可将钢围堰导流管在水库除险加固中水头损失代入能量方程,判断其高程真空度。设此过程的目标函数为v,则有公式(3)。

(3)

式中:λ为水库除险加固中死水位自由面高程;l为水库除险加固中死水位至钢围堰导流管的高度差;d为钢围堰导流管管顶轴线长度。通过公式(3),得出钢围堰导流管在水库除险加固中高程真空度,确保v的取值在5～8,满足钢围堰导流管在水库除险加固中高程真空度的复核条件。

2.5 实现基于钢围堰导流管的水库除险加固

在钢围堰导流管在水库除险加固中高程真空度通过复核后,考虑到钢围堰导流管结构的梁板为普通截面,总体属于高度超高但荷载不大的高支模施工。因钢围堰导流管结构在安装过程中对水库架体的侧压力大,为增加水库除险加固架体的整体稳定性,将水库除险加固架体与钢围堰导流管结构两侧结构柱进行刚性连接。基于钢围堰导流管的水库除险加固平面图,如图2所示。

图2 基于钢围堰导流管的水库除险加固平面图

结合图2所示,为基于钢围堰导流管的水库除险加固平面图。通过图2可知,钢围堰导流管采用环抱形式与架体连为一个整体。针对水库除险加固中钢围堰导流管的应用特点与难点,最终确定选用镀锌管作为管材,并配备离心泵,实时调节水库除险加固中钢围堰导流管导流量,增加水库除险加固架体的整体稳定性。至此,完成基于钢围堰导流管的水库除险加固,实现水库除险加固中钢围堰导流管的应用研究。

3 实例分析

3.1 实验准备

为构建实例分析,实验对象选取某水库,工程内容为水库除险加固。水库除险加固施工项目及要求,见表2。

表2 水库除险加固施工项目及要求

结合表2所示,本次实例分析选取的对比指标为水库除险加固断面平均流速,加固断面平均流速越高代表此方法下的水库除险效果越好。首先,使用本文设计方法基于钢围堰导流管进行水库除险加固,通过核查工具Qacenter测得其加固断面平均流速,设置为实验组。再使用传统方法基于钢围堰导流管进行水库除险加固,同样通过核查工具Qacenter测得其加固断面平均流速,设置为对照组。为避免偶然现象的出现,在此次的实例分析中,共进行10次实验。针对核查工具QAcenter测得的加固断面平均流速,记录实验结果。

3.2 实验结果分析与结论

根据上述设计的实验步骤,采集10组实验数据,将两种方法下的加固断面平均流速进行对比,加固断面平均流速结果见表3。

表3 加固断面平均流速对比

通过表3可得出如下的结论:本文设计的加固方法水库断面平均流速明显高于对照组,可以实现水库除险加固,具有现实推广价值。

4 结束语

通过水库除险加固中钢围堰导流管的应用研究,能够取得一定的研究成果,解决传统水库除险加固中存在的问题。由此可见,本文设计的方法是具有现实意义的,能够指导水库除险加固方法优化。在后期的发展中,应加大钢围堰导流管在水库除险加固中的应用力度。截至目前,国内外针对水库除险加固中钢围堰导流管的应用研究仍存在一些问题,在日后的研究中还需要进一步对钢围堰导流管的优化设计提出深入研究,为提高钢围堰导流管的综合性能提供参考。本文存在的不足主要在于,没有针对水库除险加固中钢围堰导流管应用的注意事项进行深入研究,在之后的研究中可以适当补足,进而促进钢围堰导流管在水库除险加固中更好地应用发展。