田会静，徐恩岳，秦亮

（1.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

埋管式泄水口流量计算方法研究

田会静1，徐恩岳2，秦亮2

（1.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

埋管式泄水口流量尚无成熟计算方法，针对此情况文中分析了圆管型泄水口均匀流及非均匀流、泥塘端淹没和非淹没不同状态下的水力参数计算公式，并结合工程实例分别对管线的输水能力、水面线、糙率、输水性能最佳充满度等进行了详细计算和分析，提出了淹没与非淹没两种情况的计算方法，为吹填排水管线的布置、吹填流失量的估算提供技术支撑。

埋管式泄水口；输水能力；自由出流；淹没出流；糙率

0 引言

流失量[1]一直是影响吹填工程成本和利润的关键因素，对于已挖掘吹填上陆的疏浚物，确保其有效沉淀和减小流失，是成本控制的关键，而泄水口设计的成败又是吹填流失量控制的关键点，在很大程度上决定了吹填工程的盈亏情况。

泄水口常见形式有溢流堰式和埋管式[1]等，其中溢流堰式泄水口规范有流量计算方法，而埋管式泄水口则没有相应的计算方法，仅有工程上的经验，一般一条船配备5～6根管。实际上，船舶生产流量相差很大，以产量3 500 m3/h绞吸船为例，施工流量为7 500～12 000 m3/h均属于正常，且泄水口流量影响因素众多，所以对泄水口流量进行研究很有必要。

1 泄水口排水管道的水力计算及分析

根据泄水口排水管进水端的水力条件，排水管可分为无压管道和有压管道两种计算工况。

1.1 无压圆管的水力计算

1.1.1 过水断面的几何要素

无压圆管是指圆形断面未被充满的长管道。无压圆管过水断面的几何要素见图1[2]。

图1 无压圆管过水断面几何要素Fig.1 Geometricelementsofnon-pressurepipecrosssection

1.1.2 无压圆管的输水能力计算

1）校核输水能力

管道直径d、管壁粗糙系数n及管线坡度i都已知，充满度可通过测量得知，只需按已知a、d得出A、R，并计算出谢才系数：

代入基本公式，便可算出流量[3]：

2）输水性能最佳充满度分析

对于无压管道（n、d、i一定），流量Q随水深h变化。由图2可见，当时，达最大值，，此时管中流量超过满管流时流量的8.7%。其中Q′为满流时的流量[2]。

图2 流量和流速随水深的变化Fig.2 The flow and velocity changes with depth

1.2 有压管的水力计算

1.2.1 自由出流

管道出口水流流入大气中，水股四周都受到大气压强的作用，成为自由出流管道。管道的总水头将全部消耗于管道的水头损失和保持出口的动能[3]。

通过建立能量方程可得：

式中：H为管道出口断面中心与水池水面的高差，称为管道的水头；∑ξ为管路中各局部水头损失系数的总和。

1.2.2 淹没出流

管道出口如果淹没在水下，便称淹没出流。管道在淹没出流的情况下，行近流速的上下游水位差z完全消耗于沿程损失及局部损失[4]。

1.3 非均匀流的水力计算

1.3.1 流量的计算

已知管线的水面线以及断面尺寸、底坡等，估算排水管的流量，若排水管中的水流属于非均匀流，应按照非均匀流情况来处理，从而得到流量为[3]：

式中：zu、zd分别为上下游断面水位；Au、Ad分别为上下游断面面积；为上下游断面平均流量模数；Δs为流段长度。

1.3.2 糙率的计算

同样，根据满宁公式可以推算粗糙系数的计算公式[3]：

1.3.3 水面线的试算

根据明渠恒定非均匀流逐段试算法计算水面线的基本公式[3]：

计算时可假定另一端断面的水深，按照式（10）算得一个Δs，若Δs与已知的数值相等，则假定水深即为所求，若不等，需重新假设，直至算得的Δs与已知的数值相等为止。

2 工程实际应用

某工程吹填区排水，上层布设800 mm管线，下层布设900 mm管线。进水端淹没至上层管中间位，高400 mm，底坡为0.002，水面线起始位置为上层管线的底部，出水端平均水面高200 mm，见图3所示[5]。实际监测，上层管流量为0.18 m3/s，下层管流量为0.9 m3/s。

2.1 上层排水管计算

2.1.1 输水能力计算

图3 排水管示意图Fig.3 Schematic diagram of discharge outlet

上层圆管的水力条件为非均匀流，此工况可采用式（8）直接计算，已知进出口的水位，可直接计算出流量Q=0.189 m3/s。

计算过程见表1。

表1 无压圆管恒定非均匀流流量计算Table 1 Flow calculation of non-pressure pipe steady non-uniform flow

2.1.2 水面线试算

已知流量为0.26 m3/s，进口水深400 mm，则管线中间位置（即s=12 m）的水深可通过式（10）进行试算，通过不断调节计算断面水深数值，使得表中s的大小与实际长度s的大小一致，则此时的水深即为所求，见表2，该例题中h=254 mm。

表2 无压圆管恒定非均匀流水面线试算Table 2 Water surface profile calculation of non-pressure pipe steady non-uniform flow

2.1.3 按照均匀流简化考虑

如果上层管按照均匀流简化考虑，根据式（5），计算水位400 mm、280 mm以及200 mm时的流量分别为0.349 m3/s、0.184 m3/s、0.096 m3/s，流速为1.4 m/s、1.2 m/s、1.0 m/s，计算过程见表3。可以看出，中间水位280 mm时的流量与采用非均匀流计算的结果很接近，由此可以看出，对于此类泄水口可简化用均匀流的公式进行计算，但计算水位不能采用进口水位也不能采用出口水位，一般采取进出口水位的中间值且偏低些。

表3 无压圆管恒定均匀流流量计算Table 3 Flow calculation of non-pressure pipe steady uniform flow

如果要充分发挥管道的输水能力，达到最大流量，根据输水性能最佳充满度分析，则充满度应为ah=0.95，即h=760 mm，也就是说上层排水管的底高程应低于进水端水面线0.76 m，此时排水管的输水能力最大，Q=0.75 m3/s，v=1.52 m/s。因此在工程中，为了达到最大输水能力，可根据最佳充满度适当调节管线底高程。

2.2 下层排水管输水能力计算

2.2.1 淹没出流

根据工程实例描述，出口为淹没出流，见图4，则根据式（7），上下游的水位差z=0.2 m，经计算Q=0.93 m3/s，v=1.46 m/s，与实际监测的流量相符。

图4 下层管淹没出流Fig.4 Submerged discharge of the lower pipe

2.2.2 自由出流

若下层排水管出水端为自由出流，见图5，则按照有压管道自由出流的计算公式（6）进行计算。

H=0.85，沿程摩阻系数λ=0.012 5，∑ξ主要是进口的局部损失系数0.5，代入式（6），经计算Q=1.92 m3/s，v=3.0 m/s。

图5 下层管自由出流Fig.5 Free discharge of the lower pipe

对比上述两种工况，除出口边界条件不同，进口及管径都一致，淹没出流流量为0.93 m3/s，而自由出流流量为1.92 m3/s，即出口自由出流情况下输水能力是淹没出流的2倍，因此，在工程中为了增大泄量，出口端尽量采用自由出流的边界条件[6]。

2.3 糙率的计算

如果已知输水能力，利用式（9）可推算出圆管的糙率，在上述工况下，经计算n=0.011，计算过程见表4。

表4 无压圆管恒定非均匀流糙率计算Table 4 Roughness calculation of non-pressure pipe steady non-uniform flow

3 结语

本文分析了圆管型泄水口均匀流及非均匀流、有压和无压不同状态下的水力参数计算公式，并结合工程实例对管线的输水能力、水面线及糙率分别进行了计算，从中可以看出，对于无压圆管非均匀流可采用均匀流的公式进行估算，但计算水位不能采用进口水位也不能采用出口的水位，一般采取进出口水位的中间值且偏低些。通过工程实例计算可知，有压圆管自由出流的输水能力远大于淹没出流，工程中应尽量避免采用淹没出流的泄流方式。同时对无压排水管输水性能最佳充满度进行了分析，为排水管底高程的确定提供了技术支撑。

根据文中两种情况得到的分析结果，现场只要获得泥塘端水面高度、出口端水面高度、管长、流速，再加上溢流密度，即可获得流失量。

[1]JTS 181-5—2012，疏浚与吹填工程设计规范[S]. JTS 181-5—2012,Design code for dredging and reclamation works[S].

[2]全国勘察设计注册工程师水利水电工程专业管理委员会，中国水利水电勘测设计协会.水利水电工程专业基础知识[M].郑州：黄河水利出版社，2007. The National Survey and Design Registered Engineer Water Conservancy and Hydropower Engineering Professional Management Committee,China Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Association.Basic knowledge of water conservancy and hydropower engineering[M].Zhengzhou:The Yellow River Water Conservancy Press,2007.

[3]吴持恭.水力学[M].北京：高等教育出版社，1982. WU Chi-gong.Hydraulics[M].Beijing:Higher Education Press, 1982.

[4]清华大学水力学教研室.水力学[M].北京：高等教育出版社，1965. Teaching and Research Section of Hydraulics,Tsinghua University. Hydraulics[M].Beijing:Higher Education Press,1965.

[5]绞吸挖泥船泥泵输泥计算手册[M].天津：天津市航浚科技服务有限公司，1996. Cutter suction dredger pump transport calculation manual[M]. Tianjin:Tianjin Hang Jun Technology Services Co.,Ltd.,1996.

[6]JTS 207—2012，疏浚与吹填工程施工规范[S]. JTS 207—2012，Construction code for dredging and reclamation works[S].

Calculation method for flow-off volume of underground discharge outlet

TIAN Hui-jing1,XU En-yue2,QIN Liang2
（1.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.,Ltd,Tianjin,300461,China; 2.CCCC Tianjin Dredging Company Ltd.,Tianjin,300461,China）

In view of the lack of flow-off volume calculation method on underground discharge outlet,we performed analysis on calculation formula of hydraulic parameters,including of the uniform flow and non-uniform flow at the circular tube discharge outlet,the submerged discharge and non-submerged discharge at the end of mud pot.Combined with the engineering examples,we calculated and analyzed the conveyance power of water,water surface curve,roughness,and optimal filling degree,put forward the calculation methods of submerged and non-submerged discharge.This paper has provided technical support for arranging discharge pipe and estimating flow-off volume.

underground discharge outlet;conveyance power of water;free discharge;submerged discharge;roughness

U616.1

A

2095-7874（2017）01-0008-04

10.7640/zggwjs201701002

2016-06-21

2016-09-12

国家科技支撑计划课题项目（2014BAB16B03）

田会静（1982— ），女，天津市人，硕士，高级工程师，水利水电工程专业，从事疏浚技术研究工作。E-mail:tiantian9804@163.com