泄水建筑物工程設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)

馮 俊

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550002）

泄水建筑物工程設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)

馮 俊

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550002）

泄水建筑物工程是水利水電工程的重要組成部分，對于整個(gè)工程的功能發(fā)揮有著重要的影響。為了提高工程的最終質(zhì)量，減少返工現(xiàn)象，在泄水建筑設(shè)計(jì)階段就需要認(rèn)真考量其方案以及相關(guān)的體型設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)計(jì)算。文章結(jié)合某水利工程實(shí)例對泄水建筑物設(shè)計(jì)中需要考慮的問題進(jìn)行分析和探討，希望對相關(guān)工作者有所幫助。

泄水建筑物；工程設(shè)計(jì)；隧洞；水力計(jì)算

0 前 言

泄水建筑物工程設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的工作，需要對工程部位以及相關(guān)計(jì)算等進(jìn)行認(rèn)真的分析和確認(rèn)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的施工方案［1］。

為了提高泄水建筑物工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量，應(yīng)該對設(shè)計(jì)方案以及相關(guān)的計(jì)算問題進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)的考量。

1 工程實(shí)例

某水利樞紐是防洪、發(fā)電等綜合利用的水利工程，由土石壩、泄洪隧洞、沖沙放空洞等建筑物組成。

根據(jù)下游防洪要求，設(shè)計(jì)洪水時(shí)最大下泄流量限制為900m3／s，本次經(jīng)調(diào)洪計(jì)算100a一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，下泄洪峰流量為672.6m3／s。原100a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1680m3／s，水庫消減洪峰流量1007.4m3／s；其發(fā)電站裝機(jī)為3×8000kW，共2.4×104kW。

建成水庫增加保灌面積0.67萬hm2，正常蓄水位時(shí)，水庫面積為17.70km2，為發(fā)展養(yǎng)殖創(chuàng)造了有利條件。

2 泄水方案選擇

該水利樞紐河谷地帶相對較窄，山脊比較高，山坡比較陡峭，適合采用隧洞泄洪方案隧洞，并且隧洞布置在右岸?？紤]到隧洞造價(jià)較高且施工困難，采用“龍?zhí)ь^”無壓泄流的形式與施工導(dǎo)流洞結(jié)合的型式。

3 泄水隧洞選線與布置

隧洞進(jìn)口和出口剖面上和平面上的定位和選線問題很重要。綜合考慮地形、地質(zhì)、水力學(xué)、施工等因素，擬定不同方案進(jìn)行技術(shù)比較選定。

該工程中樞紐布置于河彎地段，左岸山坡陡于右岸，且若布置隧洞則其出口處偏離主河道太遠(yuǎn)，所以隧洞應(yīng)該布置于右岸。

從地質(zhì)來看，該山梁除了表面有一層較深的風(fēng)化巖外，下面大部分為堅(jiān)硬玄武巖，強(qiáng)度較高，巖體中夾雜幾條破碎帶，但走向大多數(shù)與隧洞軸線成較大角度，將泄洪隧洞、及引水發(fā)電隧洞布置于右岸凸出的山梁中［2－3］。

4 隧洞的體型設(shè)計(jì)

隧洞的體型設(shè)計(jì)包括以下3項(xiàng)內(nèi)容：進(jìn)口建筑物、洞身斷面型式與尺寸和出口消能段。

4.1 進(jìn)口建筑物

該工程采用表孔堰頂泄流的泄水形式，進(jìn)水口為開敞式，在進(jìn)口的地方設(shè)置操作平臺，堰頂設(shè)閘門用于控制泄流。

4.1.1 進(jìn)口堰面曲線（以堰頂為坐標(biāo)原點(diǎn)）

采用WES型堰面曲線，壩面鉛直，方程為：

式中：Hd為定型設(shè)計(jì)水頭，按堰頂最大作用水頭Hmax的75%～95%計(jì)算；K，n為與上游面有關(guān)的系數(shù)和指數(shù)，當(dāng)壩面鉛直時(shí)，K＝2.0，n＝1，850。

Hd＝（2822.85－2810）×75% ～95% ＝9.45～11.97取Hd＝10.24m

x1.85＝2.0Hd0.85y＝2.0×11.450.85y

即：x1.85＝15.89y

堰頂上游段采用橢圓曲線，其方程為：

堰頂下部與一傾斜直線相連接，再用圓弧與下游隧洞連接，以便水流平順地進(jìn)入。

4.1.2 閘門型式與尺寸

式中：a為0.28～0.3，取 a＝0.28；aHd＝2.867；a／b＝0.87＋3a＝0.87＋0.84＝1.71；b＝0.16；bHd＝1.68。上游段橢圓曲線方程為：

檢修閘門和工作閘門都要設(shè)置平板門，設(shè)在進(jìn)口的地方。閘門寬7m，高15m（由正常水位減堰頂高程加浪高而得：2820.50－2810＋4.3＝14.8m，取15m）。

4.2 洞身斷面型式和尺寸

該工程隧洞為無壓泄流隧洞，采用城門洞型斷面，便于開挖和襯砌，水面線以下可獲得較大的矩形過水?dāng)嗝妗?/p>

調(diào)洪演算時(shí)已經(jīng)擬訂溢流孔口尺寸為7m×17m（為保證無壓泄流，由校核洪水位減延頂高程加相應(yīng)浪高而得：2824.03－2810＋2.76＝16.79m，取17m）。

由于水位經(jīng)堰頂后馬上跌落，所擬洞寬不變，而高度則以斜段為1∶1坡按cos45°折減，則洞身尺寸為7m×12.1m，具體通過水面曲線計(jì)算以后確定。

進(jìn)口以后與斜洞連接，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以1∶1坡度連接，反弧段以60.0m半徑圓弧相連接。

4.3 出口消能段

隧洞出口的高程較高，為2750.0m，不過由于下游出口距離大壩和電站比較遠(yuǎn)，因此沖刷坑不會影響電站和大壩的正常運(yùn)行。

由于隧洞出口寬度小，單寬流量大，所以在出口處設(shè)置擴(kuò)散段。

鼻坎的型式與參數(shù)：設(shè)計(jì)采用平順連續(xù)式挑流鼻坎。鼻坎高程應(yīng)高出下游最高水位1～2m，以利于挑流水舌下緣的摻氣。

校核水位時(shí)下游最高水位2754.94，高程定為2756m。轉(zhuǎn)向不夠平順，使挑距較小；過大時(shí)，又使鼻坎下游延伸太長，增加工程量。

根據(jù)我國的工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究，采用挑射角＝30°，此出口為平段，為了水流能平順挑出采用了較大的反弧半徑R＝70.0m。

5 隧洞水力計(jì)算

設(shè)計(jì)中要求隧洞為無壓泄流，為保證洞內(nèi)穩(wěn)定的明流狀態(tài)，不出現(xiàn)忽而無壓流、忽而有壓流的明滿流過渡流態(tài)，需進(jìn)行水力計(jì)算［4－5］。

先確定平洞段底坡，然后進(jìn)行水面線計(jì)算，高流速洞還應(yīng)考慮摻氣影響，摻氣水面以上要有足夠的凈空。

出口段應(yīng)計(jì)算挑距L及沖刷坑深度tk，根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)來判斷其對工程的影響。

5.1 設(shè)計(jì)條件

該工程運(yùn)行中，設(shè)計(jì)水位：Q設(shè)＝2822.74m，設(shè)計(jì)泄洪流量：Q設(shè)＝634.67m3／s

校核水位：校＝2824.03m，校核泄洪流量：Q校＝732.33m3／s

堰頂高程：∩＝2810.0m，堰高P＝10.0m。

下泄校核洪水時(shí)應(yīng)滿足各項(xiàng)要求，因此對校核情況進(jìn)行水力計(jì)算。

5.2 平洞段底坡

假定過水?dāng)嗝鏋槌情T洞型下部的矩形斷面，矩形斷面的水面寬與底寬相等，則臨界水深計(jì)算公式為：

過水?dāng)嗝婷娣e：Ac＝hc×B＝73.8m2。

濕周：x＝B＋2hc＝28.0834m。

計(jì)算得到的臨界坡降iC＝0.00459，由于泄流時(shí)水流流速較大，為不影響隧洞的泄流能力，隧洞應(yīng)做成陡坡。

鑒于坡度太大施工不方便，底坡取i＝0.005。

5.3 隧洞水面曲線的計(jì)算：

P＝68.03m；q＝104.62m3／s；φ＝0.92484；E＝82.06m。

經(jīng)試算得收縮斷面水深hc＝2.759m。以收縮斷面為起始位置，依次向下游計(jì)算平洞段水面曲線；已知隧洞底坡i＝0.005；洞寬B＝7m；起始斷面水深hc＝2.759m；糙率n＝0.013；斷面流速不均勻系數(shù)α＝1.05。以收縮斷面為起始位置，計(jì)算公式為：

假定一定的水深，計(jì)算兩端面之間的距離，直到斷面間累計(jì)距離達(dá)到隧洞長度。具體計(jì)算過程見表1。

表1 水面曲線計(jì)算

由以上計(jì)算可得洞內(nèi)水面線見表2。

表2 平洞段水面曲線

由于隧洞泄流時(shí)流速較大，yi必須考慮高速水流摻氣的影響。摻氣后的水深按以下公式計(jì)算：

式中：v、R為不計(jì)摻氣時(shí)斷面的平均流速和水力半徑；H為考慮摻氣后的水深；k為摻氣系數(shù)取0.006。考慮摻氣影響后，經(jīng)計(jì)算（表2中最后兩列）平洞段內(nèi)曲面線見表3。

表3 平洞段水面曲線（摻氣后）

為保證洞內(nèi)為明流，水面線以上應(yīng)留有一定的凈孔，按規(guī)范要求高流速泄洪隧洞摻氣水面以上的凈空為洞身面積的15%～25%。

25%的凈空是21.17m2，現(xiàn)有47.74m2，因此洞身斷面滿足要求。

由于還有許多因素沒顧及，加上還要考慮與導(dǎo)流洞結(jié)合，留有一定的富余是必要的。

5.4 出口消能計(jì)算

出口消能計(jì)算包括：擴(kuò)散角、挑距計(jì)算、沖坑深度計(jì)算和安全挑距。

5.4.1 擴(kuò)散角

為減小單寬流量，減輕下游沖刷，利于消能，隧洞出口采用擴(kuò)散段布置。為防止高速水流脫離邊壁而發(fā)生空蝕，擴(kuò)散角不宜過大。設(shè)計(jì)中采用的控制公式為：

為擴(kuò)散段起始斷面處流速和水深；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可取1.5～3.0，本設(shè)計(jì)取2.5。最終確定擴(kuò)散角θ＝5°。

5.4.2 挑距計(jì)算

計(jì)算示意圖見圖1。

圖1 挑距計(jì)算示意圖

挑距計(jì)算：

鼻坎頂平速：ν均＝

5.4.3 沖坑深度計(jì)算

沖坑深度計(jì)算公式為：

式中：k為沖坑深度系數(shù)取1.2；q為單寬流量；Z為上下游水位差；t為下游水深。

經(jīng)計(jì)算，ts＝12.89m。

5.4.4 安全挑距

L／tS＝35.92／12.89＝2.79＞2.5滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 語

泄洪建筑物對于水利水電工程功能的發(fā)揮是至關(guān)重要的，只有對實(shí)際的工程地形以及相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)地分析，才能夠設(shè)計(jì)出最合理的方案。

此外，在泄洪建筑的設(shè)計(jì)過程中，一定要仔細(xì)核定計(jì)算結(jié)果，以減少錯(cuò)誤，提高建筑物設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

［1］劉躍，彭瑋.獅泉河水電站引水、泄水建筑物工程布置設(shè)計(jì)［J］.水力發(fā)電，2008，34（12）：81－83.

［2］王君.新疆水利樞紐工程泄水建筑物設(shè)計(jì)研究［J］.中國水運(yùn)：下半月，2012，12（04）：159－160.

［3］苗青，王曉輝，劉順萍，周陳超.黃河龍口水利樞紐工程泄水建筑物設(shè)計(jì)［J］.水利水電工程設(shè)計(jì)，2011，30（02）：26－28.

［4］婁曉波，余揚(yáng)，王曉慧.航電工程泄水建筑物設(shè)計(jì)與研究［J］.黑龍江水利科技，2012，40（10）：26－28.

［5］郭西方，顧小兵，陳能玉，李婭.巴基斯坦汗華水電站工程泄水建筑物設(shè)計(jì)［J］.水利水電工程設(shè)計(jì)，2010，29（03）：25－27.

Some Points Needing to Pay Attentionin Discharge Structure Engineering Design

FENG Jun
（Guizhou Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550002，China）

discharge structure is an important part of hydraulic and hydropower project and has a vital iMPact on the function of the whole project. In order to heighten the final engineering quality and reduce rework phenomenon，it is necessary to seriously consider schemes and related type design and data.Combining with real example of discharge structure in a hydraulic engineering，some points needing to pay attention are analyzed and discussed，hopefully providing help for relevant designers.

discharge structure；engineering design；tunnel；hydaulic calculation

TV65

A

1007－7596（2014）08－0035－04

2014－02－27

馮?。?965－），女，貴州貴陽人，高級工程師。