新疆白楊河水庫導(dǎo)流兼泄洪洞水力學(xué)計算簡介

趙 娜

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

白楊河水庫工程位于新疆阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)境內(nèi)，是白楊河上的一座山區(qū)水庫，其主要任務(wù)是在滿足灌溉的前提下，向工業(yè)園區(qū)供水，同時兼顧防洪，是一座具有綜合利用效益的水庫工程。主要建筑物有攔河大壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪洞等，最大壩高78m。根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件，工程由黏土心墻壩、表孔溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪洞等組成。根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，在整個河谷布置黏土心墻壩;表孔溢洪道利用河道地形布置在右岸壩肩上，為開敞式正槽，其軸線與壩軸線夾角70°;導(dǎo)流兼泄洪洞布置在左岸，從壩下穿過，為明挖澆筑的壩下埋涵，洞內(nèi)左側(cè)拱腳處布置有工業(yè)供水的有壓放水管。

2 計算分析的目的與內(nèi)容

在導(dǎo)流規(guī)劃和導(dǎo)流布置基本確定的前提下，導(dǎo)流洞隧洞水力學(xué)計算分析是決定導(dǎo)流隧洞斷面尺寸、導(dǎo)流建筑物的最優(yōu)組合乃至導(dǎo)流設(shè)計標準選擇等的重要依據(jù)。因此，導(dǎo)流洞的水力學(xué)計算在導(dǎo)流工程設(shè)計中占有重要地位，是整個導(dǎo)流工程設(shè)計的基礎(chǔ)。

白楊河水庫施工期導(dǎo)流采用河床斷流圍堰、導(dǎo)流兼深孔洪洞泄洪的方式。導(dǎo)流設(shè)計洪水標準采用P=10%洪水頻率，相應(yīng)洪峰流量63.86m3/s。導(dǎo)流建筑物為上、下游圍堰擋水，河床一次斷流，導(dǎo)流兼泄洪洞布置在左岸，從壩下穿過，為明挖澆筑的壩下埋涵，洞內(nèi)左側(cè)拱腳處布置有工業(yè)供水的有壓放水管。導(dǎo)流全過程分為圍堰擋水、大壩擋水和后期導(dǎo)流泄洪兼工業(yè)供水三個階段。導(dǎo)流泄洪洞除應(yīng)滿足水庫施工期宣泄設(shè)計洪水的要求外，還必須兼顧在明流狀態(tài)下工業(yè)供水的需要。

白楊河水庫導(dǎo)流洞水力學(xué)計算的主要內(nèi)容有:擬定導(dǎo)流洞斷面尺寸、設(shè)計隧洞縱坡和計算導(dǎo)流隧洞的泄流能力。下面對設(shè)計原則、方法和步驟以及部分成果作簡要介紹。

3 擬定導(dǎo)流洞斷面尺寸

導(dǎo)流隧洞斷面尺寸與導(dǎo)流標準、導(dǎo)流能力、圍堰高度、出口水流銜接等密切關(guān)聯(lián)，必須進行綜合的水利經(jīng)濟分析。斷面形式及尺寸在很大程度上決定于圍巖特性以及地應(yīng)力分布情況。由于白楊河水庫工程的特殊性，導(dǎo)流洞是埋于大壩之下，鉛直土壓力較大，因此采用圓拱直墻式。

確定隧洞斷面尺寸時，控制水面以上的空間一般不小于洞身面積的15%，頂部凈空高度不小于0.4m。對于高速水流無壓洞考慮摻氣后水面以上一般還要有15% ～20%的空間，并且水面不宜超出直墻范圍。

以校核水位1012.28m(Q=108.1m3/s)控制工況計算的結(jié)果見表1。

從表1可知，洞身空間余幅較大。原因是對洞內(nèi)頂拱腳處設(shè)工業(yè)供水管有影響，且摻氣后水深不能漫過供水管道支架，使支架浸泡在水中，銹蝕支架。

導(dǎo)流標準選擇為10%的洪水頻率(Q=63.86m3/s)，相應(yīng)導(dǎo)流洞建筑規(guī)模:進口高程968m、斷面尺寸為4.6m×3.0m(高×寬)的導(dǎo)流洞，高21m的上游圍堰。

表1 隧洞斷面計算結(jié)果

4 導(dǎo)流洞縱坡設(shè)計

在確定了導(dǎo)流洞的斷面尺寸后，即可進行縱坡設(shè)計。在設(shè)計選定的導(dǎo)流洞斷面尺寸和進口底板高程前提下，盡量加大明流過流能力，減少導(dǎo)流洞在明滿流過渡流態(tài)的工作幾率，以優(yōu)化洞室支護的受力狀態(tài)。根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計，閘井段(樁號0－022.8～0+000)為平坡，樁號0+000以后底坡均設(shè)計為陡坡，為避免漸變段過早進入明滿流狀態(tài)，該段采用較大的縱坡，使水面呈b2型降水曲線。

根據(jù)以上設(shè)計原則，針對各級明流流量和不同的假設(shè)底坡，分別進行水力學(xué)計算，然后進行優(yōu)選。優(yōu)選原則為:?在小流量情況下，洞身段的隔斷弗勞德數(shù)偏小，且變幅也小;?在大流量情況下考慮摻氣后的水深值沿程盡量相近，且不高于洞身的直墻段，便于有較大的明流過流能力。經(jīng)過優(yōu)選和整體協(xié)調(diào)后，最終選定底坡為1/50，出口底高程為964.20m，洞長為190m。

5 導(dǎo)流洞泄流能力

在確定的導(dǎo)流標準前提下，導(dǎo)流洞的泄流能力在白楊河水庫中有著重要意義。在下游水位不影響導(dǎo)流洞泄流能力的前提下，泄量可由閘孔自由出流的公式計算:

式中 H——由有壓短洞出口的閘孔底板高程算起的上游庫水深;

ε——有壓短洞出口工作閘門的垂直收縮系數(shù);

e、B——閘孔開啟高度和水流收縮斷面處的底寬;

μ——短洞有壓段流量系數(shù)，由下式計算:

計算結(jié)果見表2。

表2 白楊河導(dǎo)流洞的泄流能力

6 結(jié)語

每個工程的導(dǎo)流洞都有其特點，在實際工程中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、水文條件、運行工況等因素采用不同的技術(shù)措施，進行技術(shù)經(jīng)濟比較，選擇最佳的設(shè)計施工方案。

白楊河水庫導(dǎo)流兼泄洪洞于2010年4月30日開工建設(shè)，2010年9月30日完成導(dǎo)流洞主體工程，現(xiàn)主體工程已完成，由于導(dǎo)流洞的建成以后的種種原因，還未正式運行泄水。白楊河水庫的導(dǎo)流洞的設(shè)計合理與否，有待實踐的進一步檢驗。

1 華東水利學(xué)院.水工設(shè)計手冊:第七卷［M］.北京:水利水電出版社，1982.

2 陳德亮.取水輸水建筑物叢書:隧洞［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.

3 SL279—2002，水工隧洞設(shè)計規(guī)范［S］.

4 武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計算手冊［M］.北京:水利出版社，1980:415.