南溝門水利樞紐導(dǎo)流泄洪洞水力設(shè)計

黨 力

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

南溝門水庫樞紐工程位于陜西省延安市黃陵縣境內(nèi)，水庫壩址位于葫蘆河河口上游，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型，按100年一遇洪水設(shè)計，5000年一遇洪水校核。主要工程任務(wù)是：向延安石油化學(xué)工業(yè)基地及當(dāng)?shù)爻青l(xiāng)生活供水，還具有改善灌溉條件，利用供水進(jìn)行發(fā)電等作用。在不影響下游綜合用水情況下，解決交口河工業(yè)區(qū)、華能延安電廠、延安80萬噸乙烯工程、黃陵縣城的生產(chǎn)生活用水，發(fā)展隆太塬灌區(qū)，利用工業(yè)城鎮(zhèn)供水及農(nóng)灌用水發(fā)電。

導(dǎo)流泄洪洞屬于永臨結(jié)合建筑物，施工期為導(dǎo)流洞，后期改建成為泄洪洞，同時兼有排沙功能。設(shè)計等級為2級，在滿足施工期導(dǎo)流、度汛要求的同時，也要滿足運用期泄洪、排砂需要。洞身橫斷面為6m×8m城門洞型，全斷面鋼筋砼襯砌。設(shè)計洪水位下泄流量Q設(shè)=456.8m3/s，校核洪水位下泄流量Q校=467.8m3/s。

2 工程地質(zhì)條件

隧洞從四級階地基座巖體通過，洞室圍巖以T3h泥（頁）巖為主。隧洞進(jìn)出口斜坡，基巖裸露，坡角40°左右，表面強風(fēng)化帶厚1m～2m，穩(wěn)定性較好。

隧洞進(jìn)口段，洞室圍巖為強～弱風(fēng)化的泥（頁）巖，巖體裂隙發(fā)育、破碎，圍巖類別屬不穩(wěn)定的Ⅳ類。

隧洞洞身段圍巖為弱～微風(fēng)化的泥（頁）巖，巖體較破碎～比較完整洞室位于地下水位以下，開挖過程有滴水、滲水現(xiàn)象。泥（頁）巖易風(fēng)化破碎，圍巖類型分別為穩(wěn)定性較差的Ⅲ類、不穩(wěn)定的Ⅳ類。

隧洞出口段圍巖為弱風(fēng)化的泥（頁）巖，巖體比較破碎，Rc=13.5MPa，泥質(zhì)泥（頁）巖易風(fēng)化破碎，圍巖類別為穩(wěn)定性較差的Ⅳ類。

3 導(dǎo)流泄洪洞布置

導(dǎo)流泄洪洞位于大壩右岸，主要由進(jìn)口段、洞身段和出口挑流消能段三部分組成，全長836.0m。進(jìn)口底板高程803.0m，出口底板高程795.05m。水庫運用期最大下泄流量467.8m3/s，洞內(nèi)最大流速 23.4m/s。

隧洞進(jìn)口段布設(shè)放水塔，塔高65m。放水塔下部閘室為矩形斷面，斷面尺寸為21m×11.6m（長×寬）。上游側(cè)設(shè)一扇平板檢修閘門，孔口尺寸5.0m×4.7m（寬×高），下游側(cè)布設(shè)一扇戶型工作弧門，孔口尺寸5.0m×4.0m（寬×高）。

洞身段采用城門洞型斷面，斷面尺寸6.0m×8.0m（寬×高），全長 795.0m，隧洞比降1%。洞身采用鋼筋砼襯砌。

出口挑流消能段布設(shè)挑流鼻坎，挑流鼻坎長17.5m，坎頂高程為799.05m，末端設(shè)齒槽，齒槽底高程為790.55m，反弧半徑R=38m，鼻坎挑射角θ=27°。

4 水力設(shè)計

4.1 泄流能力計算

導(dǎo)流泄洪洞的泄流能力計算按照水位劃分為3種工況計算

壓力段由無壓流至有壓流的界限值為：

（1）有壓流按壓力短管計算

式中，μ——流量系數(shù)，取0.80；

b——孔口寬度（m）；

h——孔口高度（m）；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

H0——計入行進(jìn)流速水頭孔口底板以上水頭（m），取H0=H。

弧門全開時的特征水位泄流特性表、水位——流量及流量系數(shù)關(guān)系曲線分別見下表1，2。

（2）半有壓流計算公式

式中，μ——流量系數(shù)，取0.625；

b——孔口寬度（m）；

h——孔口高度（m）；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

H0——計入行進(jìn)流速水頭孔口底板以上水頭（m），取H0=H。

（3）無壓流按寬頂堰計算

式中，m——流量系數(shù)，取0.325；

b——孔口寬度（m）；

σs——淹沒系數(shù)，取1.0；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

H0——計入行進(jìn)流速水頭孔口底板以上水頭（m），取H0=H。

（4）計算結(jié)果

弧門全開時的水位——流量關(guān)系曲線見表1。

4.2 明流洞水面線及摻氣水深計算

（1）明流洞水面線計算

起始斷面水深為閘后收縮水深，求得ES1=h1+α1v12/2g,假定另一斷面水深h2，求得兩斷面間水力坡度 J，ES2=ES1+△s×（i-J）,同時求得 ES2′=h2+α2v22/2g,若 ES2=ES2′表示試算成功，說明假定水深為實際水深，有了一系列的h和△s值，即可繪出水面曲線。

（2）摻氣水深計算

lg((ha-h)/△)＝1.77+0.0081×v2/(gR)

式中：ha——摻氣后的水深；

h——未摻氣水流的水深；

v——未摻氣水流的流速；

R——未摻氣水流的水力半徑；

△——表面的絕對粗糙度，△＝0.002m。

（3）計算結(jié)果

泄洪排沙洞下泄流量Q=467.8m3/s時水面線進(jìn)行計算，經(jīng)計算泄洪排沙洞洞內(nèi)水流為C3型壅水曲線，其洞出口處實際水深最大，hmax＝5.91m，該處流速 v＝13.5m3/s。

4.3 挑流消能計算

（1）挑距計算

式中，L——隧洞下游垂直面到挑流水外緣進(jìn)入下游水面后與河床面交點的水平距離，m；

v1——坎頂水面流速（m/s），按鼻坎處平均流速v的1.1倍計；

表1 導(dǎo)流泄洪洞弧門全開時水位流量特性表

表2 泄洪排沙洞洞內(nèi)水面線

θ——挑流水舌水面出射角，近似取鼻坎挑角，θ=27°；

h1——挑流鼻坎末端法向水深，m，h1=h/cosθ；

h2——鼻坎坎頂至河床面高差，m；

Z0——鼻坎末端斷面以上的水頭。

（2）沖刷坑深的計算

沖刷坑深采用公式：

式中，k——為綜合沖刷系數(shù)，取1.8；

q——鼻坎末端斷面的單寬流量，m3/（s·m）。

Z——上下游水位差（m）。

沖刷坑后坡i的計算：

式中，T——沖刷坑深度（m）；

L——挑流射程（m）。

沖刷坑后坡i的最大允許值為1/3～1/6。

（3）計算結(jié)果

經(jīng)計算在校核洪水位下泄流量Qmax＝467.8m3/s時，挑距L=91.78m。刷深度T＝24.34m，沖刷坑至挑流鼻坎的距離大于3倍沖刷深度，不會對建筑物及兩岸山坡造成大的影響，不會威脅它們的穩(wěn)定安全，滿足要求。

5 結(jié)語

通過對導(dǎo)流泄洪洞水力計算和分析，可為正確推求水面線、合理確定洞斷面、選取合理的消能方式提供依據(jù)。通過水力模型專題試驗，進(jìn)一步驗證了選取的相關(guān)水力參數(shù)是經(jīng)濟合理的，滿足工程的運行使用要求。

總之，設(shè)計人員在對導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)行設(shè)計過程中，首先擬定出相關(guān)參數(shù)，并最終通過相關(guān)水力計算進(jìn)行復(fù)核確認(rèn)，為下一步水力模型試驗的提供依據(jù)。陜西水利