柏葉口水庫泄洪發(fā)電洞水力計(jì)算

郭春玲

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

柏葉口水庫位于呂梁市交城縣會(huì)立鄉(xiāng)柏葉口村上游約500m的文峪河干流上，總庫容9712萬m3。水庫樞紐由大壩、溢洪道、泄洪發(fā)電洞和電站組成。泄洪發(fā)電洞布置在左岸，其進(jìn)口距壩軸線210m，出口布置在柏葉口村下游，全長692.2m。泄洪發(fā)電洞由進(jìn)水塔、有壓隧洞、出口閘室、明渠泄槽及挑流段組成。泄洪發(fā)電洞為有壓圓形隧洞，洞軸線為直線，襯砌后直徑為5m，進(jìn)出口底洞高程分別為1068.50m，1055.00m，洞身縱坡2.25%。其任務(wù)有預(yù)泄庫水，增大水庫的調(diào)蓄能力；放空水庫以便檢修；排放泥沙，減小水庫淤積；施工導(dǎo)流；配合溢洪道渲泄洪水。

2 計(jì)算任務(wù)及條件

2.1 任務(wù)

根據(jù)發(fā)電洞的運(yùn)行方式，在各特征水位下分別計(jì)算過流能力、各部位的水頭損失、沿程壓坡線，復(fù)核隧洞斷面能否滿足水利調(diào)洪計(jì)算要求的泄量，為隧洞的襯砌計(jì)算提供依據(jù)。

2.2 計(jì)算條件

糙率：泄洪洞采用鋼筋混凝土襯砌，糙率n=0.014。特征水位見表1。

表1 特征水位表

運(yùn)行方式：當(dāng)庫水位不超過防洪高水位時(shí)，該洞下限流量100m3/s；當(dāng)庫水位達(dá)到及超過防洪高水位時(shí)，閘門全開，隧洞敞泄；當(dāng)庫水位達(dá)到校核洪水位時(shí)，該洞泄流量400m3/s。

3 水力計(jì)算

3.1 過流能力計(jì)算

因設(shè)計(jì)洪水位與校核洪水位相差不大，本次計(jì)算僅考慮校核洪水位的情況。

在校核洪水位時(shí)，因下游河床水位低于洞底高程，故隧洞為自由出流。在水庫死水位時(shí)，洞前水深H=1080.0m-1068.5m=11.5m，大于1.5D=1.5×5m=7.5m，所以按有壓洞計(jì)算。依據(jù)《水力計(jì)算手冊》，過流能力計(jì)算公式為：式中：Q——流量，m3/s；

ω——隧洞出口斷面面積，取16m2；

T0——上游水面與隧洞出口底板高程差及上游行近流速水頭v2/2g之和。因庫水流速v=0，故T0=1136.44m-1055.00m=81.44m；

hp——隧洞出口斷面水流的平均單位勢能，m；

μ——流量系數(shù)，按下式計(jì)算：

ξi——隧洞第i段上的局部能量損失系數(shù)，與之相對(duì)應(yīng)的流速所在的斷面面積為ωi；

li——隧洞第i段的長度，與之相應(yīng)的斷面面積、水力半徑和謝才系數(shù)分別為ωi，Ri和Ci。

首先確定各局部水頭損失系數(shù)，列表計(jì)算流量系數(shù)μ=0.65。代入過流能力計(jì)算公式，得出水位—泄量關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 水位—泄量關(guān)系曲線圖

校核洪水位時(shí)，該洞泄量Q=405.26m3/s，滿足行洪要求。

3.2 壓坡線

繪制壓坡線的目的在于保證隧洞在運(yùn)用過程中洞頂始終有一定正壓力，避免產(chǎn)生空蝕，并為襯砌設(shè)計(jì)提供依據(jù)。分別按正常蓄水位和校核洪水位考慮。

正常蓄水位：此時(shí)，隧洞出口工作閘門關(guān)閉，庫水位1133.0m，出口閘底板高程1055.0m，洞內(nèi)水流速v=0。沒有局部及沿程水頭損失，也無流速水頭，故其測壓管水頭為總水頭：H=1133.0m-1055.0m=78m，壓坡線為一水平線。

校核洪水位：按隧洞通過設(shè)計(jì)流量為402m3/s來計(jì)算各段的流速水頭和水頭損失，經(jīng)計(jì)算得：該洞沿程水頭損失38.22m，局部水頭損失5.52m，出口流速25.33m/s，流速水頭32.7m，出口處測壓管水頭5m，滿足《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》洞頂以上應(yīng)有不小于2m壓力水頭的要求。

壓坡線如圖2。

圖2 壓坡線圖

4 結(jié)語

經(jīng)計(jì)算，該隧洞校核洪水位時(shí)泄量405.26m3/s，大于水力計(jì)算要求的400m3/s，滿足工程運(yùn)行要求。

該隧洞正常運(yùn)行時(shí)，壓坡線水頭為78m，內(nèi)水壓力大，在設(shè)計(jì)隧洞襯砌時(shí)應(yīng)重視這一因素。

該隧洞局部水頭損失5.52m，沿程水頭損失38.22m，局部水頭損失占全部水頭損失的12.6%，所占比例不大，但主要分布在進(jìn)出口處，尤其是出口部分應(yīng)采取防空蝕措施。

在校核洪水位時(shí)，洞內(nèi)流速20.65m/s，出口斷面流速25.33m/s，均為高速水流。建議做水工模型試驗(yàn)來驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性。