長江水庫泄洪洞水力復(fù)核計(jì)算

符朝仁

（中山市水庫水電工程管理中心,廣東 中山 528400）

1 工程概況

長江水庫是中山市唯一的一座中型水庫,位于中山市宮花河上游,是一座以防洪、供水為主,兼顧灌溉、生態(tài)等綜合效益的多年調(diào)節(jié)中型水庫。水庫集雨面積36.4 km2,總庫容5040 萬m3。

1.1 工程現(xiàn)狀

長江水庫泄洪洞位于大壩右側(cè),溢洪道的左側(cè),緊靠溢洪道。其結(jié)構(gòu)形式為鋼筋砼方形涵洞,斷面尺寸2 m×2 m。泄洪洞埋在大壩下的長度為65 m,泄洪洞進(jìn)口高程為20.22 m,設(shè)計(jì)最大流量為37.9 m3/s,出口高程為19.28 m。

在2010 年長江水庫泄洪洞進(jìn)行了改造,在原砼方涵基礎(chǔ)上,內(nèi)襯圓鋼管,內(nèi)直徑2 m,壁厚10 mm,鋼管與原方涵混凝土面之間采用水泥砂漿充填,泄洪洞整體結(jié)構(gòu)基本良好,暫未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)性缺陷；但鋼管內(nèi)防銹漆嚴(yán)重老化,存在脫落生銹的情況。進(jìn)口高程20.22 m,出口高程19.45 m,總長約57.07 m,出口為二級消力池。消力池溢流堰及側(cè)墻結(jié)構(gòu)較為完好,無貫穿性裂縫及沉降不均勻現(xiàn)象。消力池兩岸頂部護(hù)欄結(jié)構(gòu)及巡查步級結(jié)構(gòu)完好,無開裂及沉降不均勻情況,管養(yǎng)情況較好。

1.2 工程等級及建筑物級別

本工程為中型水庫,工程等級Ⅲ等,泄洪洞為主要建筑物,建筑物級別為3 級。

2 泄洪洞水力計(jì)算

2.1 泄洪洞過流能力復(fù)核

2.1.1 基本資料

泄洪洞斷面尺寸：φ2 m 圓形,進(jìn)水口涵底高程：20.22 m,出水口涵底高程19.45 m,洞身長度l=57.07 m,閘門形式：平面鋼板閘門,出口流態(tài)：自由出流,正常水位：H正常=25.98 m,設(shè)計(jì)水位：H設(shè)計(jì)=28.04 m,校核水位：H校核=29.67 m。

2.1.2 計(jì)算公式

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50288-2018）附錄M,涵洞過流能力計(jì)算公式應(yīng)根據(jù)涵洞水流流態(tài)決定。涵洞水流流態(tài)根據(jù)進(jìn)口水深、出口水深和洞高的關(guān)系判別。已知涵洞出水口水深為非淹沒出流,當(dāng)進(jìn)口水深H ≤1.2 D（D為洞高）時(shí),為無壓流；當(dāng)進(jìn)口水深1.2 D ＜H ≤1.5 D 時(shí),為半壓力流；當(dāng)進(jìn)口水深H ＞1.5 D 時(shí),為非淹沒壓力流。

①無壓流涵洞過流能力可按下式計(jì)算：

式中：Q 為涵洞過流量,m3/s；B 為洞寬,m；m 為流量系數(shù),可近似采用m=0.36；ε為側(cè)收縮系數(shù),可近似取ε=0.95；H0為包括行近流速水頭在內(nèi)的進(jìn)口水深,m；g 為重力加速度,g=9.81,m3/s；σ 為淹沒系數(shù)；hs為洞進(jìn)口內(nèi)水深,m,對短洞可按公式計(jì)算求得,對長洞需以出口水深為控制水深,從出口斷面向上游推算水面線以確定洞進(jìn)口內(nèi)水深；v 為上游行近流速,m/s；為動能修正系數(shù),可采用=1.05。

②半壓力流涵洞過流能力可按下式計(jì)算：

式中：m1為流量系數(shù),由表M.0.3-2 查?。籄 為洞身斷面面積,m2；β1為動能修正系數(shù),由表M.0.3-2 查??；i 為洞底坡降。

表1 流量系數(shù)m1 及修正系數(shù)β1 值表

③非淹沒壓力流涵洞過流能力可按下式計(jì)算：

表2 漸變段水頭損失系數(shù)

已知涵管直徑為2.0 m,進(jìn)口底高程為20.22 m,出口底高程為19.45 m,坡降為0.0135。由于半有壓流態(tài)存在時(shí)間較短,且流態(tài)較為不穩(wěn)定,因此泄流能力計(jì)算僅考慮無壓流、有壓流兩種流態(tài),泄洪洞泄流量與進(jìn)口水位關(guān)系曲線見下表。經(jīng)復(fù)核計(jì)算,由于2010 年泄洪洞加固后過流斷面變小,坡度變緩,泄洪洞泄流量相對于原斷面是砼方涵時(shí)有所減少是符合實(shí)際的。

表3 泄洪洞泄流量與水位關(guān)系曲線表

續(xù)表3

圖1 水位-泄流關(guān)系曲線

2.2 泄洪洞下游消能復(fù)核

泄洪洞下游共設(shè)二級消能工,參照溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范要求,消能防沖應(yīng)采用30 年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn),并用100 年一遇洪水進(jìn)行校核。消能防沖須對泄洪洞下游消力池的池深及池長進(jìn)行復(fù)核,故采用100 年一遇洪水位進(jìn)行計(jì)算復(fù)核,經(jīng)查此時(shí)的泄洪洞流量為29.72 m3/s。

（1）計(jì)算基本資料。泄洪洞出口高程：19.45 m；一級消力池底高程：14.28 m；溢流堰頂高程：17.06 m；泄洪洞出口流量：Q=29.72 m3/s；一級消力池長：L=18.84 m；池寬：B=4.11 m。

（2）一級消力池池深復(fù)核計(jì)算。水流由泄洪洞出口流出,在消力池內(nèi)先形成水跌,再形成水躍至溢流堰頂。計(jì)算水跌,取泄洪洞出口斷面1 及水跌最低點(diǎn)斷面2,以池底面為0-0 斷面建立能量方程,如下式：

式中：h1=19.45+2-14.28=7.17 m ；a 為動能修正系數(shù),此處取a=1.1；υ1=Q/A1=29.72/3.14=9.46 m/s；υ2=Q/A2=29.72/（4.11×h2）。

其中,σ 為水躍淹沒度,可取=1.05～1.10,此處取1.10；ht為下游水深,此處取堰上臨界水深,即1.80 m；ΔZ 為消能池出口水面落差。由下式計(jì)算：

其中,b 為消能池寬度；φ'為消能池出流的流速系數(shù),一般取0.95。

（3）一級消力池池長復(fù)核計(jì)算。先計(jì)算自由水躍長度,由《水力計(jì)算手冊（第二版）》可知當(dāng)1.7

（4）一級消力池長池深復(fù)核結(jié)論。經(jīng)復(fù)核,一級消力池現(xiàn)狀池深2.78 m 大于計(jì)算所得的2.08 m,池長18.84 m 在計(jì)算所得的18.5 m～21.2 m 范圍內(nèi),消力池尺寸滿足要求。

2.3 溢流堰陡槽及二級消力池消能復(fù)核

（1）計(jì)算基本資料。溢流堰頂高程：17.06 m 陡坡首端高程：12.34 m；陡坡末端高程：9.42 m；陡槽寬度：4.11 m；陡坡坡降：0.098；陡坡長度：29.76 m；糙率n=0.014；二級消力池底高程：7.50 m；池長：20.27 m；二級消力池出口護(hù)坦高程：9.31 m。

（2）陡坡首端斷面水深、流速確定。仍然建立能量方程,以陡坡首端斷面高程即12.34 m 處水平面1-1 為基準(zhǔn)面,選取溢流堰頂17.06 m 處斷面為斷面3,陡坡首端斷面為斷面4。

方程如下：

其中,h3=17.06-12.34+1.78 m=6.5 m；υ3=Q/A3=29.72/（4.11×1.78）m/s=3.99 m/s

υ4=Q/A4=29.72/（4.11×h4）。經(jīng)計(jì)算得：陡坡首端斷面水深h4=0.648 m,此時(shí)流速υ4=11.17 m/s。

（3）陡坡末端斷面水深、流速確定。陡坡水面線可參考《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）附錄A.3.1 中“泄槽水力計(jì)算”公式進(jìn)行計(jì)算溢洪道水面線：

式中：Δl1-2為分段長度,m；h1、h2為分段始、末斷面水深,m；υ1、υ2為分段始、末斷面平均流速,m/s；a1、a2為流速分布不均勻系數(shù),取1.05；為泄槽底坡角度,（°）；i=sin；當(dāng)較小時(shí),i≈tan；為分段內(nèi)平均摩阻坡降；n 為泄槽槽身糙率系數(shù),查附錄表A.8,取為0.014；為分段平均流速,m/s；為分段平均水力半徑,m。

經(jīng)計(jì)算,陡坡末端斷面水深h5=0.61 m,此時(shí)流速υ5=11.90 m/s。

（4）二級消力池池深復(fù)核。以二級消力池底水平面為基準(zhǔn)面3-3,水流先發(fā)生水跌再發(fā)生水躍,取陡坡末端斷面h5及水跌最低點(diǎn)斷面h6（收縮斷面）建立能量方程,則有：

上式中h5=9.42-7.5+0.61=2.53 m,υ5=11.90 m/s,可解得：h6=0.539 m,此時(shí)υ6=13.42 m/s。故二級消力池內(nèi)收縮斷面水深hc=h6=0.539 m。

消能池深S：由式σhc''=ht+S+ΔZ求出。

其中：σ 為水躍淹沒度,可取=1.05～1.10,此處取1.05；ht為下游水深,取下游渠道臨界水深,10.42-9.31=1.11m；ΔZ為消能池出口水面落差。

由下式計(jì)算：

其中：b 為消能池寬度；φ'為消能池出流的流速系數(shù),一般取=0.95。

計(jì)算得,ΔZ=2.138 m；則消力池深d=σhc''-ht-ΔZ=1.05×4.186-1.11-2.138=1.15 m；而現(xiàn)狀二級消力池深度S現(xiàn)狀=9.31-7.5=1.81 m>1.15 m,故現(xiàn)狀消力池深度滿足要求。

（5）二級消力池池長復(fù)核計(jì)算。先計(jì)算自由水躍長度,由《水力計(jì)算手冊（第二版）》可知當(dāng)1.7

3 結(jié)語

泄洪洞鋼管完整無破損,無變形,有銹蝕現(xiàn)象,但現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)防銹漆老化嚴(yán)重,存在脫落生銹的情況,需對泄洪洞鋼管內(nèi)表面除銹防腐。消能工邊墻、底板結(jié)構(gòu)完好,無沉降及側(cè)傾現(xiàn)象。根據(jù)計(jì)算分析,泄洪洞鋼管壁厚滿足要求,強(qiáng)度滿足要求,剛度滿足要求。泄洪洞消能工尺寸滿足要求。