格鬧河水電站大壩導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)

□劉 凌(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院)

1.工程概況

格鬧河水電站壩址位于貴州威寧縣云貴鄉(xiāng)與云南彝良縣龍街鎮(zhèn)的界河洛澤河干流河段上，采用引水式開(kāi)發(fā)，壩址以上集水面積1923km2，多年平均流量24.6m3/s。

本工程大壩壩型為C15混凝土單曲拱壩，水庫(kù)正常蓄水位1470m，死水位1468m，正常蓄水位以下庫(kù)容160萬(wàn)m3，死庫(kù)容126萬(wàn)m3，相應(yīng)調(diào)節(jié)庫(kù)容34萬(wàn)m3，庫(kù)容系數(shù)0.04%，基本具有日調(diào)節(jié)性能。

2.水文條件

格鬧河水電站壩址位于貴州威寧縣云貴鄉(xiāng)與云南彝良縣龍街鎮(zhèn)的界河洛澤河干流河段上，壩址控制流域集水面積為1923km2，下距馬路村水文站約47km。廠址以上流域集水面積2768km2，距上壩址約12km。

洛澤河流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候具有明顯的季節(jié)性，徑流主要由降水補(bǔ)給。徑流與降水的時(shí)空分布一致，年際變化小但年內(nèi)分配不均。徑流主要集中在6～11月，其中7～9月最集中，徑流量占年總量的49%左右。由于洛澤河流域內(nèi)廣布石灰?guī)r，巖溶發(fā)育，故地下水豐富?？萜趶搅髦饕康叵滤a(bǔ)給，其徑流深往往超過(guò)流域降水量。多年平均月徑流最小為1～4月，且比較穩(wěn)定。

本工程施工水文資料分別見(jiàn)表1、表2。

表1 格鬧河壩址不同頻率分期洪水成果表 單位：m3/s

表2 格鬧河壩址水位～流量曲線關(guān)系表

3.導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)流方式

3.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

本電站工程總庫(kù)容207萬(wàn)m3，裝機(jī)規(guī)模為50M W，工程等級(jí)以裝機(jī)規(guī)模為標(biāo)準(zhǔn)，本工程規(guī)模為中型，工程等級(jí)為Ⅲ級(jí)。根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL303－2004）的規(guī)定，相應(yīng)的臨時(shí)建筑物為5級(jí)，相應(yīng)的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為P=20%。

3.2 導(dǎo)流方式

壩址位置水面寬40m。兩岸地形陡峭，河谷斷面呈“U”字型峽谷，兩岸山體雄厚，基巖裸露，壩基巖石堅(jiān)硬、完整，強(qiáng)度高。根據(jù)壩址地形、地質(zhì)和水文條件，本工程顯然不宜采用分期圍堰導(dǎo)流方案，因?yàn)闊o(wú)論是先圍左岸或是右岸，縱向圍堰的布置都存在困難，如果采用土石縱向圍堰，則將幾乎占滿基坑外的整個(gè)河床，如果用混凝土或漿砌石圍堰，則由于河床覆蓋層深，也需要水下清基后澆筑混凝土，或另修筑子圍堰，工程量大，時(shí)間長(zhǎng)?？傊捎诤哟勃M窄，分期圍堰時(shí)過(guò)水?dāng)嗝嫘?，河水壅高，?duì)圍堰要求高，工程量大，很不經(jīng)濟(jì)，予以放棄。根據(jù)地形情況，壩址河床兩岸，沒(méi)有開(kāi)挖導(dǎo)流明渠的條件。經(jīng)比較，本工程導(dǎo)流方式采用全段圍堰一次斷流隧洞導(dǎo)流方式。

3.3 導(dǎo)流洞的設(shè)計(jì)

3.3.1 導(dǎo)流方案的比選

考慮到樞紐布置形式，結(jié)合水文、地形、地質(zhì)條件等因素，右岸山體河床高程部位較緩，左岸山體雄厚，巖性對(duì)稱，壩址處位于河灣下游，洞線布置在左岸相對(duì)較短，從地形上來(lái)說(shuō)導(dǎo)流洞布置在左岸有利。綜合考慮導(dǎo)流洞布置在左岸相對(duì)經(jīng)濟(jì)合理可行。

3.3.2 隧洞布置

導(dǎo)流隧洞布置于大壩左岸，全長(zhǎng)206.527m，隧洞進(jìn)口直線段長(zhǎng)19.417m，轉(zhuǎn)彎段1長(zhǎng)19.906m，轉(zhuǎn)彎半徑為40m，轉(zhuǎn)角28.51°,中間直線段長(zhǎng)113.59m，轉(zhuǎn)彎段2長(zhǎng)33.35m，轉(zhuǎn)彎半徑為40m，轉(zhuǎn)角47.93°，出口直線段長(zhǎng)20.15m。隧洞進(jìn)口底板高程為1449.00m，隧洞出口底板高程為1448.50m，底坡為0.24%。

3.3.3 隧洞斷面和進(jìn)口型式選擇及水力計(jì)算說(shuō)明

導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量為Q=64.7m3/s，相應(yīng)下游水位hd=1449.10m，在《格鬧河壩址水位～流量曲線關(guān)系表（表2）》中內(nèi)插。導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)時(shí)，考慮導(dǎo)流時(shí)段內(nèi)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的洪峰來(lái)臨時(shí)隧洞泄流為有壓流，而且導(dǎo)流時(shí)段內(nèi)洪峰來(lái)臨時(shí)上游對(duì)應(yīng)的水位低，不考慮圍堰形成的庫(kù)容調(diào)節(jié)，上游壅高水位按導(dǎo)流洞過(guò)流洪峰流量控制，導(dǎo)流洞斷面擬采用城門洞型斷面，斷面尺寸為3.5m×5m，進(jìn)口閘門井采用3.5m×5m矩形斷面，采用下式計(jì)算導(dǎo)流洞上游水位：

3.3.3.1 有壓非淹沒(méi)出流

3.3.3.2 有壓淹沒(méi)出流

式中：Q—為流量（m3/s）；μ—為流量系數(shù)；ω—為導(dǎo)流洞出口斷面面積；g—為重力系數(shù)，g=9.81；T0—為上游水面與導(dǎo)流洞出口底板高程的差值；hp—為隧洞出口斷面水流的平均單位勢(shì)能,一般取出口洞高5m。

計(jì)算的基本方法為：計(jì)算有壓流條件下公式中的參數(shù)，即流量系數(shù)μ值，再計(jì)算T0值，從而求出上游水位和上、下游圍堰高程。

（1）流量系數(shù)：

城門洞形斷面積經(jīng)計(jì)算得：

濕周計(jì)算式：

水力半徑計(jì)算式：

謝才系數(shù)計(jì)算式：

n=0.014（混凝土支護(hù)），0.032（噴混凝土）。

（2）局部損失參數(shù)：

進(jìn)口閘門槽ξ=0.1

漸變段（矩形變城門洞形）ξ=0.1

平面轉(zhuǎn)彎段：

D為導(dǎo)流洞徑，取3.5m；R為轉(zhuǎn)彎半徑40m；θ為轉(zhuǎn)角28.153°，47.933°。

將以上各值代入上式的ζ=0.27。

出口未設(shè)閘門槽

3.3.3.3 沿程損失參數(shù)

基本計(jì)算公式：2gLi/Ci 2Ri(ω/ωi)2

Li、Ci、Ri、ωi分別為 i段內(nèi)的長(zhǎng)度、謝才系數(shù)、水力半徑、斷面面積。

將局部、沿程損失列表進(jìn)行計(jì)算：(如表1)

將所得數(shù)據(jù)代入流量系數(shù)公式可得：

3.3.3.4 上游水深計(jì)算

先假設(shè)導(dǎo)流洞為有壓自由出流，按下式計(jì)算：

表3 局部、沿程損失參數(shù)表

則上游水位為hu=1448.5+8.428=1456.928m

3.3.3.5 有壓流、無(wú)壓流的判別

上游水深H＜1.2D時(shí)導(dǎo)流洞為無(wú)壓流，當(dāng)上游水深H＞1.5D（D為洞高），導(dǎo)流洞為有壓流，當(dāng)上游水深1.2D＜H＜1.5D時(shí)，導(dǎo)流洞為半有壓流。以上計(jì)算先假設(shè)導(dǎo)流洞為有壓自由出流，求得T0=8.428m。從以上的計(jì)算可知上游水深為1448.5+8.428-1449.0=7.928m＞1.5×5=7.5m，且壩址下游河床水位1449.100m＜導(dǎo)流洞出口洞頂高程1453.5m,故屬于有壓自由出流，所以按有壓流的計(jì)算公式計(jì)算是正確的。

經(jīng)過(guò)水力計(jì)算驗(yàn)證，隧洞斷面尺寸采用3.5×5m是合適的。

4.結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)是攔河大壩順利施工的關(guān)鍵保證，同時(shí)作為臨時(shí)建筑物，其經(jīng)濟(jì)合理性也是很重要的指標(biāo)，在河谷狹窄地段設(shè)計(jì)導(dǎo)流洞，推薦導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)采用洪峰時(shí)段有壓洞比較經(jīng)濟(jì)合理，本文對(duì)有壓洞設(shè)計(jì)提供一種思路和經(jīng)驗(yàn)。