觀文水庫取水隧洞水力計(jì)算分析

□謝玉仁（河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

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觀文水庫取水隧洞水力計(jì)算分析

□謝玉仁（河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

摘要：觀文水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉和鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村供水、生態(tài)環(huán)境供水等綜合利用的中型水利工程。觀文水庫取水隧洞較好地結(jié)合地形、地質(zhì)、水文和樞紐布置的特點(diǎn)，取水隧洞布置在大壩左岸山體內(nèi)，采用塔式進(jìn)水口。取水隧洞與施工導(dǎo)流洞相結(jié)合，滿足施工和使用階段要求，并兼顧生態(tài)考慮，水流流態(tài)良好。文章對(duì)取水隧洞水力計(jì)算進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：觀文水庫；取水隧洞；水力計(jì)算；生態(tài)放水管

1概況

觀文水庫位于赤水河左岸二級(jí)支流白泥河上游，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉和鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村供水以及生態(tài)環(huán)境供水等綜合利用的中型水利工程。水庫總庫容1348萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積0.36萬hm2。水庫樞紐工程主要包括攔河大壩、溢洪道、取水（放空、導(dǎo)流）隧洞工程，取水（放空、導(dǎo)流）隧洞布置于大壩左岸的山體內(nèi)。

2取水隧洞布置

2.1設(shè)計(jì)原則

根據(jù)觀文水庫工程的地形、地質(zhì)、水文和樞紐布置的特點(diǎn)，確定取水隧洞的設(shè)計(jì)原則如下：一是滿足下游灌區(qū)的灌溉及水庫放空需要；二是取水建筑物正常運(yùn)行時(shí)，必須確保大壩及其他主要建筑物的運(yùn)行安全，不對(duì)其他主要建筑物構(gòu)成危害性影響；三是確保取水建筑物的運(yùn)用安全可靠及管理方便。

2.2布置型式

根據(jù)地形條件、技術(shù)及經(jīng)濟(jì)比較，取水隧洞布置在大壩左岸山體內(nèi)，采用塔式進(jìn)水口。施工期導(dǎo)流洞用作施工導(dǎo)流，施工后期導(dǎo)流洞進(jìn)口段封堵后，將進(jìn)水塔及導(dǎo)流洞直線段連接，以“龍?zhí)ь^”形式改建為取水隧洞，承擔(dān)取水灌溉及放空任務(wù)。取水隧洞由進(jìn)口段、進(jìn)水塔段、洞身段和出口消能段等組成，取水隧洞洞線全長332.90 m，洞身段長230.45 m。

3水力計(jì)算分析

3.1取水隧洞流量計(jì)算

根據(jù)水庫運(yùn)行要求，取水隧洞設(shè)計(jì)流量2.20 m3/s，加大流量2.75 m3/s；同時(shí)取水隧洞承擔(dān)水庫放空任務(wù)，進(jìn)水塔底高程1068.50 m以上至正常蓄水位1090.00 m之間庫容為1000.60萬m3，要求15 d放空，平均放空流量為7.72 m3/s，隧洞最大允許過流受隧洞出口節(jié)制閘過流限制，經(jīng)計(jì)算，隧洞最大允許過流為34.60 m3/s。

進(jìn)水塔工作閘閘室寬2.00 m，高2.50 m。取水隧洞斷面型式采用圓拱直墻形，洞身凈寬2.50 m，直墻高2.50 m，頂部為直徑2.50 m半圓拱。

庫水位位于1071.50 m以上時(shí)，隧洞斷面需滿足灌溉流量要求，同時(shí)需滿足放空流量要求，設(shè)計(jì)隧洞斷面型式采用圓拱直墻形，洞身凈寬2.50 m，直墻高2.50 m，頂部為直徑2.50 m半圓拱，洞壁為0.40 m厚C25鋼筋混凝土襯砌。

根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)（第二版）》，當(dāng)H/a＜1.20時(shí)為無壓流，經(jīng)計(jì)算，庫水位位于死水位1071.50 m以上時(shí)，取水隧洞為進(jìn)口段設(shè)置有壓短洞的無壓泄流隧洞，其泄流能力計(jì)算采用《水利設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）（公式7-1-15）進(jìn)行計(jì)算，公式如下。

式中：H—由有壓短洞出口的閘孔底板高程起算的上游庫水深；ε—有壓短洞出口的工作閘門垂直收縮系數(shù)；e、B—閘孔開啟高度、水流收縮斷面處的底寬；μ—短洞有壓段的流量系數(shù)；φ—流速系數(shù)；ωc—收縮斷面面積，ωc=εBe；ζi—自進(jìn)口上游漸變流斷面至有壓短洞出流后的收縮斷面之間的任一局部能量損失系數(shù)；ωi—與ζi相應(yīng)的過水?dāng)嗝婷娣e；la—有壓短洞的長度；ωa、Ra、Ca—有壓短管平均過水?dāng)嗝婷娣e、相應(yīng)的水力半徑和謝才系數(shù)。

根據(jù)水位變化及閘門開度，依據(jù)以上公式，計(jì)算取水隧洞在正常蓄水位1090.00 m至死水位1071.50 m之間不同閘門開度下的流量，得到取水隧洞閘門開度流量關(guān)系表，結(jié)果見表1。

由表1可以確定，根據(jù)不同水位及時(shí)調(diào)節(jié)閘門開度，取水隧洞可以滿足灌溉及放空流量要求。

表1　取水隧洞閘門開度流量關(guān)系表?。▎挝唬簃3/s）

當(dāng)庫水位位于1071.50 m以下時(shí)，取水隧洞為無壓流，公式采用《水力計(jì)算手冊(cè)》（第二版）（公式7-1-6）計(jì)算。

式中：Q—流量，m3/s；b—隧洞過水?dāng)嗝鎸挾龋?.00 m；σs—淹沒系數(shù)，取1。H0—隧洞進(jìn)口斷面底板高程起算的上游總水頭，m；m—流量系數(shù)，取0.39。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)閘門全部開啟，庫水位為死水位1071.50 m時(shí)，最大流量17.71 m3/s，能滿足灌溉流量要求。

3.2生態(tài)放水管流量計(jì)算

為保證河流基本生態(tài)要求，須下泄一定生態(tài)流量，經(jīng)分析，觀文水庫最小須下泄生態(tài)流量0.04 m3/s。根據(jù)生態(tài)流量需要，設(shè)計(jì)在進(jìn)水塔邊墻埋設(shè)φ125鋼管用于下泄生態(tài)水，放水管中心高程為1069.50 m，根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)（第二版）》管流流量計(jì)算公式計(jì)算放水管放水流量，公式如下。

式中：Q—流量；μc—管道流量系數(shù)；A—管道斷面面積；d—管道內(nèi)徑；L—管道計(jì)算長度；H—作用水頭；λ—沿程水頭損失系數(shù)；∑ζ—管道計(jì)算段中各局部損失系數(shù)之和。

經(jīng)計(jì)算，在水庫不同水位下生態(tài)流量放水管的過流能力見表2。

表2　生態(tài)流量放水管過流能力計(jì)算成果表

由計(jì)算結(jié)果可以看出，庫水位于死水位1071.50 m時(shí)，下泄流量為0.04 m3/s，滿足死水位時(shí)保證下泄最小生態(tài)流量0.04 m3/s的要求。如需加大下泄生態(tài)流量，可通過進(jìn)水塔工作閘門啟門來實(shí)現(xiàn)，若不需下泄生態(tài)流量，可將進(jìn)水事故塔檢修閘門關(guān)閉。

4結(jié)語

通過計(jì)算可知，取水隧洞可以滿足灌溉及放空流量要求，并兼顧生態(tài)考慮。

（責(zé)任編輯：左英勇）

中圖分類號(hào)：TV67

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853（2016）05-0078-02?

作者簡介：謝玉仁（1982-），男，工程師，長期從事水利規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2016-04-12