有壓接無(wú)壓泄洪洞設(shè)計(jì)初探

鄭小玉，游 湘，劉麗娟

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

隨著我國(guó)水電建設(shè)的快速發(fā)展，一大批大、中型水電站相繼開(kāi)工建設(shè)，相當(dāng)數(shù)量的水電工程項(xiàng)目正在設(shè)計(jì)和待開(kāi)工建設(shè)中。泄洪建筑物是水電樞紐中的重要組成部分，是保障工程安全、充分發(fā)揮樞紐效益的關(guān)鍵性建筑物。水電樞紐工程又多處于高山、峽谷之中，山高坡陡、河道狹窄、洪水流量大，需要在兩岸山體中布置泄洪隧洞，而實(shí)際工程中常遇直河道的樞紐布置，泄洪洞不能完全呈直線(xiàn)型布置為無(wú)壓洞，而需利用平面有壓轉(zhuǎn)彎適應(yīng)大壩及河道布置為有壓接無(wú)壓泄洪洞。

目前正在建設(shè)的溪洛渡、錦屏一級(jí)等水電站的有壓接無(wú)壓泄洪洞的泄洪落差超過(guò)200m，泄量達(dá)到4 000m3/s，流速達(dá)50m/s，有壓接無(wú)壓泄洪洞的設(shè)計(jì)水平在不斷提高。國(guó)內(nèi)部分有壓接無(wú)壓泄洪(放空)洞特征參數(shù)見(jiàn)表1。然而目前國(guó)內(nèi)針對(duì)有壓接無(wú)壓泄洪洞的設(shè)計(jì)還沒(méi)有成熟的規(guī)程規(guī)范，滿(mǎn)足不了當(dāng)前水電工程建設(shè)的需要。本文總結(jié)有壓接無(wú)壓泄洪洞的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了有壓接無(wú)壓泄洪洞設(shè)計(jì)的系統(tǒng)思路和設(shè)計(jì)方法。

2 總體設(shè)計(jì)原則

樞紐泄洪總體布置需泄洪洞泄洪，而對(duì)于河道順直，沒(méi)有布置直線(xiàn)型泄洪洞條件的，可考慮采用有壓段平面轉(zhuǎn)彎、工作閘門(mén)后置的有壓接無(wú)壓泄洪洞布置形式。有壓接無(wú)壓泄洪洞布置一般包括引水渠、進(jìn)水口(事故閘室段)、有壓洞段、控制段(工作閘室)、無(wú)壓洞段、出口消能防沖等建筑物。

有壓接無(wú)壓泄洪洞的布置應(yīng)根據(jù)自然條件、工程特點(diǎn)、樞紐布置要求、施工及運(yùn)用條件、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選定。同時(shí)應(yīng)注意協(xié)調(diào)泄洪、發(fā)電、航運(yùn)、漂木及灌溉等建筑物在布置上的矛盾，避免相互干擾，并注意環(huán)保及景觀要求。有壓接無(wú)壓泄洪洞的泄量、工作閘門(mén)孔口的尺寸及高程等應(yīng)根據(jù)水庫(kù)特征、水庫(kù)調(diào)蓄及水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行要求；樞紐泄洪建筑物泄洪流量的合理分配；地形、地質(zhì)條件，河道特征(下游河床與兩岸抗沖能力)及消能要求；與相鄰建筑物布置協(xié)調(diào)；閘門(mén)型式及制作水平；造價(jià)及維修費(fèi)用等因素；通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定。

有壓接無(wú)壓泄洪洞進(jìn)出口宜布置在穩(wěn)定的巖石地基上，并應(yīng)考慮巖體結(jié)構(gòu)特征和地質(zhì)構(gòu)造，以及建庫(kù)后水文地質(zhì)條件變化對(duì)建筑物及邊坡穩(wěn)定的不利影響。洞線(xiàn)宜選在地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、圍巖完整穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件有利和施工、交通方便的地段。在宣泄設(shè)計(jì)洪水時(shí)，泄洪洞下泄水流產(chǎn)生的泄洪霧化和河道的沖淤不應(yīng)影響其他建筑物的安全和正常運(yùn)行。

為提高有壓接無(wú)壓泄洪洞的流量系數(shù)，在布置時(shí)應(yīng)盡量縮短有壓洞段長(zhǎng)度；同時(shí)為減少有壓段高壓水滲漏對(duì)下游大壩的不利影響，宜將有壓洞段布置在大壩帷幕上游。

3 有壓接無(wú)壓泄洪洞各部位建筑物設(shè)計(jì)

3.1 引水渠及進(jìn)水口設(shè)計(jì)

當(dāng)有壓接無(wú)壓泄洪洞進(jìn)口不可避免地需采用引水渠引水時(shí)，引水渠應(yīng)因地制宜地布置，使水流平順勻暢，體形宜簡(jiǎn)單，便于施工。引水渠渠道需轉(zhuǎn)彎時(shí)，軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)彎半徑不宜小于4倍渠底寬度，彎道至進(jìn)水口宜有適當(dāng)長(zhǎng)度的直線(xiàn)段。引水渠底寬可為等寬或沿順?biāo)鞣较蚴湛s，在與進(jìn)水口連接處宜與進(jìn)水口前緣等寬。渠底坡可為平底或不大的反坡(傾向水庫(kù))。

進(jìn)水口宜布置在地勢(shì)開(kāi)闊、水流條件平順、巖體條件相對(duì)較好、基礎(chǔ)承載能力相對(duì)較高的巖基上，并應(yīng)盡量避免形成高邊坡，盡量避開(kāi)不利的地質(zhì)缺陷，保證施工及運(yùn)行期的塔體穩(wěn)定及岸坡穩(wěn)定。根據(jù)不同的地形、地質(zhì)條件及建筑物布置和使用要求，進(jìn)口閘門(mén)井可選擇塔式、岸塔式、豎井式。

進(jìn)水口底板高程取決于泄洪流量、閘門(mén)的制作水平、運(yùn)行要求、水庫(kù)放空或沖沙的要求等，應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。進(jìn)水口設(shè)計(jì)時(shí)需保證進(jìn)水口前有最小的淹沒(méi)深度，以防止在庫(kù)水面發(fā)生立軸漩渦；當(dāng)漩渦不可避免時(shí)，應(yīng)考慮一定的消渦措施。

進(jìn)水口孔口形狀宜采用窄高型，孔口高度不宜小于有壓隧洞直徑，孔口面積不宜小于有壓隧洞斷面面積。進(jìn)水口流道體型應(yīng)采用流線(xiàn)型。進(jìn)水口應(yīng)根據(jù)水庫(kù)的運(yùn)行方式及閘門(mén)的運(yùn)行檢修方式選擇設(shè)置一扇事故檢修閘門(mén)，或是檢修閘門(mén)、事故閘門(mén)分開(kāi)設(shè)置，事故檢修閘門(mén)后應(yīng)設(shè)置通氣孔。

3.2 有壓段設(shè)計(jì)

有壓洞段設(shè)計(jì)包括進(jìn)口漸變段、洞身標(biāo)準(zhǔn)段、出口漸變段。有壓洞洞身標(biāo)準(zhǔn)段宜采用圓形斷面，其尺寸取決于控制段閘門(mén)孔口的尺寸。當(dāng)有壓洞段體型較簡(jiǎn)單時(shí)，洞身橫斷面面積可取閘門(mén)孔口面積的1/(0.85～0.9)倍；當(dāng)有壓洞段體型較復(fù)雜時(shí)，洞身橫斷面面積可取閘門(mén)孔口面積的1/(0.80～0.85)倍。進(jìn)口漸變段一般采用方變圓斷面型式，出口漸變段宜采用頂側(cè)三面收縮，以保證收縮段水流過(guò)渡平穩(wěn)，并不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓。有壓洞進(jìn)、出口漸變段長(zhǎng)度及收縮角與洞徑及流速有關(guān)，一般采用漸變段長(zhǎng)度為1.5～2.0倍的洞徑或洞寬，收縮角及擴(kuò)散角宜小于7°。

有壓洞段平面轉(zhuǎn)彎曲線(xiàn)段半徑不宜小于5倍的洞徑或洞寬，轉(zhuǎn)彎角不宜大于60°，且曲線(xiàn)段兩端的直線(xiàn)段長(zhǎng)度，一般不宜小于5倍洞徑或洞寬。當(dāng)洞內(nèi)流速較高時(shí)，直線(xiàn)段長(zhǎng)度宜加大到8～10倍洞徑，以保證直線(xiàn)段末端兩側(cè)壓力和流速對(duì)稱(chēng)。

有壓洞應(yīng)根據(jù)進(jìn)水口和控制段底板高程設(shè)置一定的縱坡(傾向下游)。在各種工況下有壓洞內(nèi)不允許出現(xiàn)明滿(mǎn)流交替的水流流態(tài)，并應(yīng)滿(mǎn)足洞身有2.0m以上壓力余幅以及方便施工的要求。大壩帷幕下游的有壓洞段宜根據(jù)圍巖條件、相鄰建筑物情況確定合理的防滲措施。

3.3 控制段設(shè)計(jì)

控制段即工作閘室段，分為上下兩層，上層為啟閉設(shè)備控制室，下層為流道及閘門(mén)室。工作閘門(mén)室底板高程應(yīng)稍低于進(jìn)水口底板高程。 控制段孔口在閘門(mén)設(shè)計(jì)及水力條件許可的情況下，宜采用寬淺式?？卓诔叽绱笮∫烁鶕?jù)泄洪流量、閘門(mén)的制作水平、運(yùn)行要求等，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后綜合確定。工作閘門(mén)室上層高程應(yīng)根據(jù)工作閘門(mén)全開(kāi)后閘門(mén)頂高程及油泵高度確定；操作室布置應(yīng)綜合工作閘門(mén)運(yùn)行、安裝檢修、電氣設(shè)備布置等要求確定。工作閘門(mén)支鉸高度由閘門(mén)布置決定，但支鉸大梁底部高程必須按無(wú)壓洞要求留有足夠的凈空余幅，保證水流不會(huì)擊濺到支鉸大梁。

地下工作閘門(mén)室應(yīng)布置在圍巖完整穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件有利的區(qū)域?；⌒喂ぷ鏖l門(mén)支鉸大梁背部巖體應(yīng)完整，必要時(shí)采取固結(jié)灌漿等措施加固。地下工作閘門(mén)室應(yīng)考慮防滲及排水設(shè)計(jì)。上室應(yīng)設(shè)置對(duì)外交通洞，且交通洞排水宜排向洞外；下室應(yīng)設(shè)置補(bǔ)氣洞，并應(yīng)保證補(bǔ)氣洞有充足且順暢的氣源。補(bǔ)氣洞進(jìn)口應(yīng)與操作室分開(kāi)，并設(shè)格柵防止污物進(jìn)入；出口應(yīng)盡量靠近閘門(mén)并布置在洞內(nèi)最高位置。補(bǔ)氣洞設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證洞內(nèi)風(fēng)速小于40～60m/s，且應(yīng)盡量減少突變、彎頭等，以減少氣流阻力。

控制段是有壓接無(wú)壓泄洪洞流量的控制部位，其泄流能力可按公式(1)、(2)計(jì)算，且為保證有壓段出口及工作閘門(mén)室流道不發(fā)生空化、空蝕，控制段水流的流速應(yīng)小于30m/s。

(1)

(2)

式中g(shù)——重力加速度；

Ac——控制斷面的斷面面積，m2；

Hc——對(duì)應(yīng)控制斷面Ac而言的有效水頭；

μc——對(duì)應(yīng)控制斷面Ac而言的流量系數(shù)；

∑ζl——控制斷面Ac以上的各段沿程水頭損失系數(shù)ζl之和；

∑ζM——控制斷面Ac以上的各段局部水頭損失系數(shù)ζM之和。

3.4 無(wú)壓段設(shè)計(jì)

無(wú)壓洞段平面布置應(yīng)采用直線(xiàn)型，沿線(xiàn)應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)變化，以保證水流平順。若無(wú)法避免需布置擴(kuò)散段時(shí)，擴(kuò)散段宜布置在水流比較平穩(wěn)的洞段，邊墻擴(kuò)散處宜采用圓弧連接。

無(wú)壓洞段洞身縱斷面布置型式有一坡到底直線(xiàn)型、折線(xiàn)型、龍伸腰型、龍落尾型等，應(yīng)綜合地形地質(zhì)條件、水流條件、施工方法等選擇合理的型式。無(wú)壓洞段縱坡坡度應(yīng)大于水流的臨界坡。當(dāng)洞段水流流速較大時(shí)，為滿(mǎn)足水流強(qiáng)迫摻氣要求縱坡坡度宜適當(dāng)增大，同時(shí)應(yīng)方便施工，可采用8%～15%的坡度。無(wú)壓洞段縱坡的變化應(yīng)盡量選在水流均勻穩(wěn)定的部位，為了改變變坡點(diǎn)水流狀態(tài)及壓力分布，宜采用圓弧連接。當(dāng)無(wú)壓洞段縱斷面采用龍伸腰、龍落尾型式時(shí)，上、下平段可采用奧奇曲線(xiàn)、斜線(xiàn)段、反弧段進(jìn)行連接。

無(wú)壓洞段橫斷面有圓拱直墻式、馬蹄形和圓形，橫斷面尺寸應(yīng)滿(mǎn)足水力設(shè)計(jì)要求，最小尺寸以方便施工為宜。無(wú)壓洞斷面尺寸應(yīng)通過(guò)水力設(shè)計(jì)及水工模型試驗(yàn)確定。為獲得較大的過(guò)水?dāng)嗝?，一般采用圓拱直墻式斷面。

無(wú)壓洞水力設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)布置和流量進(jìn)行水力要素計(jì)算，包括無(wú)壓洞水面線(xiàn)、斷面流速、摻氣水深、壓力分布、水流空化數(shù)等。水力設(shè)計(jì)要求洞內(nèi)水流平穩(wěn)，沿程壓力變化平緩，非摻氣空腔內(nèi)不允許出現(xiàn)負(fù)壓。應(yīng)要求無(wú)壓洞段在摻氣水面以上有足夠的洞頂凈空余幅面積。當(dāng)采用圓拱直墻式斷面時(shí)，摻氣水深不得超過(guò)直墻高度，摻氣水面以上的空間宜取為橫斷面面積的15%～25%，且當(dāng)流速較高時(shí)，凈空余幅應(yīng)適當(dāng)增大。為保證泄洪洞沿線(xiàn)不發(fā)生空化、空蝕，當(dāng)水流空化數(shù)小于0.3或流速大于30m/s時(shí)，應(yīng)設(shè)置摻氣設(shè)施。當(dāng)無(wú)壓洞段較長(zhǎng)時(shí)，沿程宜增設(shè)補(bǔ)氣洞，以保證無(wú)壓洞段通氣順暢，氣流穩(wěn)定。

3.5 出口消能防沖設(shè)計(jì)

有壓接無(wú)壓泄洪洞出口常采用的消能方式主要為底流、挑流消能，相應(yīng)的消能工為消力池和挑流鼻坎。底流消能對(duì)地質(zhì)條件的要求較低，對(duì)尾水變幅的適應(yīng)性較好，但消力池護(hù)坦板較厚較長(zhǎng)，有時(shí)開(kāi)挖量大，修建費(fèi)用較高；挑流消能工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要修建大量的河床防護(hù)工程，但對(duì)下游地質(zhì)條件要求較高，應(yīng)防止水流對(duì)河岸的沖刷破壞，且由于水舌在空中摻氣以及入水時(shí)濺水形成的挑流霧化現(xiàn)象，對(duì)環(huán)境的影響較嚴(yán)重。故有壓接無(wú)壓泄洪洞出口消能防沖設(shè)計(jì)應(yīng)綜合地質(zhì)地形條件、施工、環(huán)境、造價(jià)等因素確定。

4 結(jié)束語(yǔ)

有壓接無(wú)壓泄洪洞是適應(yīng)直河段水利樞紐布置的一種較靈活的泄洪洞型式。本文對(duì)有壓接無(wú)壓泄洪洞的布置及水力設(shè)計(jì)的闡述，希望對(duì)有壓接無(wú)壓泄洪洞設(shè)計(jì)有一定的參考作用，在以后有壓接無(wú)壓泄洪洞的設(shè)計(jì)工作中，還需進(jìn)一步關(guān)注有壓段高壓水防滲設(shè)計(jì)、高速水流的防空蝕設(shè)計(jì)、下泄水流泄洪霧化對(duì)兩岸邊坡穩(wěn)定影響等問(wèn)題。

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