胡城水庫泄洪洞水力計(jì)算方法簡述

王紅霞

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

胡城水庫位于臨汾市大寧縣昕水鎮(zhèn)胡城村北的牧溝渠上，距大寧縣城8 km，為中部引黃大寧縣調(diào)蓄水庫。水庫攔河大壩采用面板堆石壩，最大壩高48.0m，總庫容141萬m3，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，確定工程規(guī)模為?。ㄒ唬┬停こ痰葎e為Ⅳ等；主要建筑物大壩、泄洪洞、取水口及其建筑物級(jí)別為4級(jí)。水庫樞紐工程包括大壩、泄洪洞及取水口。

2 泄洪洞設(shè)計(jì)

泄洪洞布置在大壩左岸，進(jìn)口位于大壩趾板上游約40m，為有壓圓型隧洞，洞徑2.5m，全長290m，由引水洞、進(jìn)水塔、壓力隧洞、出口閘和擴(kuò)散挑流段組成。引水洞樁號(hào)0-028—0-008，長20m，為城門洞型，寬2.5m，高3.22m（其中直墻高2.5m），C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.4m。引水洞為平洞，洞底高程775.0m。進(jìn)水塔為豎井式鋼筋混凝土塔筒結(jié)構(gòu)，采用豎井開挖有利于進(jìn)水塔整體穩(wěn)定，主要由豎井式塔筒、檢修平臺(tái)及啟閉機(jī)室等組成。塔身長8m，寬5.5m，高35m。檢修平臺(tái)高程810.0m，啟閉機(jī)室平臺(tái)高程817.2m，設(shè)平板檢修門（鋼閘門），孔口尺寸2.5m×2.5m。進(jìn)水塔底板、塔身及梁、板、柱均采用C25鋼筋混凝土。進(jìn)水塔檢修平臺(tái)與岸坡間設(shè)交通橋，交通橋全長16m，橋面寬度3m，橋面高程810m。交通橋采用C30預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土“T”形主梁，主梁高度1.2m，頂板厚度 0.2m，翼緣板厚 0.15～0.2m；每根“T”形梁設(shè)4片橫梁，梁肋寬度0.18m，高1.35m。壓力隧洞樁號(hào)0+000—0+215，全長215m，縱坡2.3%。選用圓型斷面，C25混凝土襯砌，襯砌厚度350 mm。在滿足工程總布置要求的條件下，洞線應(yīng)選在線路短、沿線地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、上覆巖層厚度適中、水文地質(zhì)條件有利及施工方便的地區(qū)。進(jìn)口底高程既要滿足泄洪沖砂的需要，又不被淤泥堵死。經(jīng)分析比較，最終確定泄洪洞進(jìn)口底板高程775.0m，出口底板高程770.0m，洞軸線兩端為直線、中間為圓弧布置。出口閘長8.5m，泄洪洞出口設(shè)弧形工作閘門，孔口尺寸2.2m×2.2m，閘底板高程770.0m。閘墩長8.5m，閘墩厚1.5m，閘墩高8.5m，閘底板厚1.2m，閘墩凈距2.2m。啟閉機(jī)室長8.5m，寬5.2m，啟閉機(jī)室平臺(tái)高程778.5m。為保證閘室的抗滑穩(wěn)定，對(duì)閘底板基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，排距3m，間距3m，深6m，梅花形布置。擴(kuò)散挑流段長14m，寬度由2.2m漸變至3.2m，挑流鼻坎高程768.94m，挑射角25°，反弧半徑10m。擴(kuò)散挑流段底板厚1.2m，邊墻頂寬 0.8m，采用C30鋼筋混凝土。底板基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，排距3m，間距3m，深6m，梅花形布置。

2.1 泄洪洞水力計(jì)算

根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》隧洞有壓流泄量計(jì)算公式得出泄洪洞的水位—泄量關(guān)系見表1。

挑流消能計(jì)算：計(jì)算沖坑深度時(shí)，抗沖系數(shù)采用基巖河床；挑流計(jì)算中，挑坎采用連續(xù)式，反弧段半徑10m，挑角 25°，泄量 62.5m3/s，單寬流量 19.53m3/s（挑坎寬3.2m），沖坑深12.19m（從下游水位起算的沖刷坑深度14.19m），鼻坎至下游水面的挑距為38.01m，水面以下水舌長度的水平投影為23.65m，總挑流長度61.66m，沖坑后坡比降為1/5.06。沖刷坑后坡比降為沖坑深度與水流挑距的比值，在設(shè)計(jì)工況下，沖坑后坡比降均小于許可最大后坡比降1/2.5～1/5，因此，沖刷坑不會(huì)危及工程安全。

表1 泄洪洞水位—泄量關(guān)系

2.2 泄洪洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)水庫地質(zhì)資料，泄洪洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)值為：圍巖類別為Ⅲ類，圍巖堅(jiān)固系數(shù)為3～4，彈性抗力系數(shù)為 500～1000 MN/m3，彈性模量為 28800 MPa（參考?jí)位皫r層），內(nèi)摩擦角46.8°（參考?jí)位皫r層），圍巖密度2.6 t/m3，結(jié)構(gòu)面內(nèi)聚力2.32 MPa（參考?jí)位皫r層）。該隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算采用“理正巖土隧洞襯砌計(jì)算軟件”。

2.2.1 計(jì)算荷載及其組合

荷載：基本荷載包括圍巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力、外水壓力等；特殊荷載包括校核水位時(shí)內(nèi)水壓力、灌漿壓力等。計(jì)算采用荷載組合為自重、山巖壓力及外水壓力的情況。

2.2.2 荷載計(jì)算

山巖壓力：根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》確定山巖壓力，經(jīng)計(jì)算，Ⅲ類圍巖垂直均布圍巖壓力為22.1 kN/m2；水平均布圍巖壓力為6.63 kN/m2。按設(shè)計(jì)厚度計(jì)算自重荷載，鋼筋混凝土按25 kN/m3計(jì)。

內(nèi)水壓力：水庫為正常蓄水位806.5m，下游閘門關(guān)閉，進(jìn)口底板高程775.0m，內(nèi)水壓強(qiáng)31.5m的水頭；出口底板高程770.0m，其內(nèi)水壓強(qiáng)36.5m的水頭，其他部位的內(nèi)水壓力按進(jìn)出壓力直線內(nèi)插而得。

外水壓力：該隧洞大部處在地下水位線以下，地下水位線距洞頂?shù)淖畲蟾叨葹?0m。因該隧洞進(jìn)口底板高程為775.0m，距正常蓄水位806.5m有31.5m的水頭，應(yīng)考慮庫水外滲對(duì)隧洞形成的壓力。

2.2.3 隧洞襯砌計(jì)算結(jié)果

考慮自重、山巖壓力、外水壓力三種荷載，為最不安全工況。經(jīng)計(jì)算，確定混凝土等級(jí)為C25，襯砌厚度350 mm，最大裂縫寬度0.19 mm，小于允許裂縫寬度0.25 mm。

2.3 出口閘室穩(wěn)定計(jì)算

2.3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

特征水位：正常蓄水位806.5m；設(shè)計(jì)洪水位806.5m（P=3.3%），閘門已開，閘門不受水的水平推力；校核洪水位806.88m（P=0.33%），閘門已開，閘門不受水的水平推力。

地震烈度：該地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度。

摩擦系數(shù)：閘室處基巖為砂巖，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，抗剪斷摩擦系數(shù)0.55，抗剪斷凝聚力0.15 MPa。

滑穩(wěn)定安全系數(shù)：根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，基巖上沿閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值在基本組合、特殊組合Ⅰ、特殊組合Ⅱ三種情況下分別為3，2.5，2.3。

2.3.2 荷載

作用在閘室的荷載分為基本荷載和特殊荷載。

基本荷載：閘室及其上永久設(shè)備的自重；正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的上游靜水壓力及水重（選取一種控制情況）；相應(yīng)于正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的揚(yáng)壓力（包括滲透壓力和浮托力）。

特殊荷載：地震荷載。

荷載組合情況為正常蓄水期，荷載有自重、水重和水壓力。

2.3.3 閘室穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》巖基上沿閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式，對(duì)閘室進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，在基本組合正常蓄水位的工況下，閘室基底應(yīng)力最大值為212.45 MPa，閘室基底應(yīng)力最小值為5.92 MPa，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)5.92不小于3.00，與允許值相比，以上計(jì)算結(jié)果滿足要求。

3 結(jié)論

經(jīng)計(jì)算，泄洪洞規(guī)劃合理。胡城水庫的建設(shè)可為大寧縣農(nóng)業(yè)發(fā)展提供一定的水源保證，且作為中部引黃工程大寧縣的配套工程，其調(diào)蓄作用可滿足太德垣灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水戶及周邊工業(yè)用水戶的用水需求。