泄洪洞之導(dǎo)流泄洪水力計(jì)算和技術(shù)驗(yàn)證

李 闖

（運(yùn)城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 運(yùn)城 044000）

導(dǎo)流泄洪洞是水工結(jié)構(gòu)比較常用的泄水建筑物，通常在水庫(kù)工程施工前期用來(lái)導(dǎo)流，竣工后用于泄洪，其設(shè)計(jì)型式隨地質(zhì)、工程結(jié)構(gòu)、運(yùn)行等方面的限制而不同。在導(dǎo)流泄洪過(guò)程中會(huì)發(fā)生明流、壓流這兩種工況，一般根據(jù)不同工況分別展開(kāi)計(jì)算[1-2]。導(dǎo)流泄洪洞設(shè)計(jì)中，根據(jù)水力分析結(jié)果優(yōu)化導(dǎo)流泄洪洞型式，以獲得最佳設(shè)計(jì)方案。

1 瓦舍水庫(kù)概況

瓦舍水庫(kù)位于垣曲縣城以北12 km的瓦舍村南，壩址位于黃河流域亳清河左家灣支流上。壩址以上控制流域面積20.4 km2，總庫(kù)容108.72萬(wàn)m3，為小（一）型水庫(kù)，工程等別為Ⅳ等。水庫(kù)樞紐由大壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞組成，主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)。防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核。水庫(kù)死（泥沙）水位701.81 m，正常蓄水位713.85 m，設(shè)計(jì)洪水位715.88 m，校核洪水位717.97 m。

大壩壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程718.5 m，防浪墻頂高程719.5 m，最大壩高30.5 m。壩頂長(zhǎng)212 m，壩頂寬8 m，上、下游壩坡分別采用1∶2和1∶1.75。

溢洪道位于大壩左岸，為開(kāi)敞式布置，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段和消能段四部分組成，全長(zhǎng)303.12 m，控制段寬15 m，出口消能段采用挑流式消能，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)泄流量71.24 m3/s，校核泄洪流量205.60 m3/s。

導(dǎo)流泄洪洞布置于大壩左岸，全長(zhǎng)236.1 m，由進(jìn)口段、進(jìn)口閘井段、洞身段、出口弧形閘門(mén)控制段和挑流消能段組成，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。泄洪洞采用有壓形式，斷面為圓形，直徑2.8 m，設(shè)計(jì)水頭23.05 m，下泄流量69.2 m3/s，校核水頭24.97 m，下泄流量72.2 m3/s。

2 導(dǎo)流泄洪洞設(shè)計(jì)

泄洪洞及供水管進(jìn)口距壩軸線(xiàn)85 m，出口位于大壩下游。為減少工程投資，泄洪洞及供水管共用一個(gè)進(jìn)水塔，各自設(shè)置閘門(mén)控制，即泄洪通過(guò)低孔口，將水引入隧洞中，通過(guò)隧洞出口挑流式消能設(shè)施挑入下游河道；供水通過(guò)高孔口，將水引入隧洞下方埋設(shè)的直徑800 mm鋼管中，通過(guò)閘閥控制供水[3-4]。

2.1 地質(zhì)概況

泄洪洞及供水管位于壩址左岸，洞底部高程694—690.6 m，洞徑2.8 m，總長(zhǎng)236.1 m。洞軸線(xiàn)多處于弱風(fēng)化帶巖層內(nèi)，洞頂圍巖厚0～31 m。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，表層強(qiáng)風(fēng)化層厚0～13 m，該段位于地下水位以上。

泄洪洞及供水管穿越圍巖以Ⅳ類(lèi)圍巖為主，整體成洞條件較差。另外，洞身安山巖，巖石的彈性抗力系數(shù)K取1 200～2 000 MN/m3，靜彈性模量E取4.3～10.6萬(wàn)MPa，動(dòng)彈性模量E=7.1～8.6萬(wàn)MPa，巖石堅(jiān)固系數(shù)f取12。

2.2 泄洪洞及供水管型式

瓦舍水庫(kù)工程任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉、城市及生態(tài)供水，因工程規(guī)模較小，為了簡(jiǎn)化樞紐布置，減少工程投資，將導(dǎo)流、泄洪功能相結(jié)合，布置一條綜合利用隧洞。從壩址區(qū)地形、地質(zhì)以及工程建設(shè)便利性等條件考慮，將泄洪洞及供水管布置在左岸山體中。

泄洪洞及供水管進(jìn)口采用豎井式結(jié)構(gòu)（進(jìn)水塔），泄洪洞口及供水管口聯(lián)合布置，采用同一塔體，進(jìn)水口左右獨(dú)立布置，各自設(shè)置閘門(mén)控制，其中供水管口布置于進(jìn)水塔左側(cè)，根據(jù)泥沙淤積計(jì)算，水庫(kù)運(yùn)行30年后，壩前淤積面高程為701.81 m，將此高程作為供水口底板高程；泄洪孔口布置于進(jìn)水塔右側(cè)，底板高程694.0 m，在工程施工期間泄洪洞兼具施工導(dǎo)流的作用。

根據(jù)工程總體布置方案，隧洞采用上游側(cè)閘門(mén)控制，斷面為圓形。為減少工程投資，泄洪洞及供水管共用進(jìn)水塔，泄洪通過(guò)進(jìn)水塔右側(cè)孔口，將水引入隧洞中，通過(guò)隧洞出口挑流式消能挑入下游河道；供水通過(guò)進(jìn)水塔左側(cè)孔口，將水引入隧洞下方埋設(shè)的直徑800 mm鋼管中，在隧洞出口0+170處向右側(cè)拐出，通過(guò)閘閥控制供水。

2.3 進(jìn)水塔孔口工作水頭確定

本隧洞為有壓洞，需要考慮其運(yùn)行所需的淹沒(méi)深度。為防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，最小淹沒(méi)深度可以按下列公式計(jì)算：

式中：S——最小淹沒(méi)水深，m；

d——閘孔高度，m；

V——閘孔斷面平均流速，m/s；

C——系數(shù)，對(duì)稱(chēng)水流取0.55。

經(jīng)計(jì)算，S=1.5 m。進(jìn)水塔上共設(shè)兩個(gè)有壓孔口，其中高進(jìn)水口孔高1 m，考慮運(yùn)行的安全性，工作水頭取2.5 m。

3 水力學(xué)計(jì)算

依據(jù)防洪要求，瓦舍水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核，考慮施工導(dǎo)流和淹沒(méi)占地設(shè)計(jì)需要，本次計(jì)算頻率為20%、5%、3.33%和0.33%的洪水過(guò)程[5-6]。該水庫(kù)設(shè)計(jì)有壓泄洪隧道，包含進(jìn)口喇叭段、漸變段、出口漸變段等。

3.1 過(guò)水能力計(jì)算

本次設(shè)計(jì)閘底板高程為694.0 m，校核洪水位717.97 m，設(shè)計(jì)洪水位715.88 m，洞徑為2.8 m。根據(jù)公式H/a=7.8＞1.5判斷隧洞為有壓流，其過(guò)流能力計(jì)算按下式計(jì)算：

式中：ω——隧洞出口斷面面積，m2；

T0——上游水面與隧洞出口底板高程差及上游行進(jìn)水頭之和，m；

hp——隧洞出口斷面水流的平均單位勢(shì)能，m；

μ—流量系數(shù)。

流量系數(shù)計(jì)算公式：

式中：ω——隧洞出口斷面面積，m2；

ζi——隧洞第i段上的局部能量損失系數(shù)，與之

相對(duì)應(yīng)的流速所在的斷面面積為ωi；

li——隧洞第i段的長(zhǎng)度，與之相應(yīng)得斷面面積、

水力半徑和謝才系數(shù)分別為ωi、Ri和Ci。不同工況下，泄洪洞的過(guò)流能力計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 不同工況泄洪洞泄流能力計(jì)算成果表

由計(jì)算結(jié)果可知，泄洪洞在設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位下的泄流能力滿(mǎn)足洪水調(diào)節(jié)需要。

供水管管徑為0.8 m，出口底高程687.5 m，在水庫(kù)最低水位701.81 m時(shí)，經(jīng)計(jì)算：管道的流量系數(shù)為0.19，過(guò)水流量為1.6 m3/s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 泄洪洞在校核洪水位時(shí)的總水頭和壓坡線(xiàn)

從表2中計(jì)算結(jié)果可知，隧洞出口處頂部可能產(chǎn)生負(fù)壓，但由于泄洪過(guò)程歷時(shí)短、負(fù)壓危害性較小。

表2 校核洪水位時(shí)總水頭和壓坡線(xiàn)計(jì)算成果表

3.3 消能防沖水力計(jì)算

3.3.1 沖刷坑最大深度計(jì)算沖刷坑最大水墊深度按下式計(jì)算：

式中：T——自下游水面至坑底最大水墊深度，m；

q——鼻坎末端斷面單寬流量，m3/（s·m）；

Z——上、下游水位差，m；

k——綜合沖刷系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)條件，取k＝1.4。

上游水位為挑坎高程加上流速水頭，沖坑下游河道為陡坡，下游水深采用平均斷面的臨界水深來(lái)代替。設(shè)計(jì)洪水時(shí)單寬流量16.2 m2/s，計(jì)算沖坑深度為9.06 m。

3.3.2 總挑距計(jì)算

挑流水舌外緣挑距按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2000）中公式計(jì)算：

式中：L′——自挑流鼻坎末端算起至下游河床面挑流水舌外緣挑距，m。

v1——鼻坎坎頂水面流速，按鼻坎處平均流速的1.1倍計(jì)，m/s；

θ——挑流水舌水面出射角，近似取用鼻坎挑角θ＝30°；

h1——挑流鼻坎末端法向水深，m；

h2——鼻坎坎頂至下游河床高程差，m。

水面以下水舌長(zhǎng)度的水平投影按《水力計(jì)算手冊(cè)》中公式計(jì)算：

式中：Lc——水面以下水舌長(zhǎng)度的水平投影，m；

β——水舌外緣與下游水面的夾角。

總挑距為挑流水舌外緣挑距與水面以下水舌長(zhǎng)度的水平投影之和，計(jì)算如下：

設(shè)計(jì)洪水時(shí)鼻坎末端水深及斷面平均流速分別近似取用泄槽末端水深及流速，經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水時(shí)總挑距為41.29 m。

3.4 洞身標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.4.1 襯砌厚度計(jì)算公式：

式中：h——襯砌厚度，m；

rB——襯砌內(nèi)半徑，m；

[σ]——混凝土允許軸心拉應(yīng)力，kN/m2；

P——均勻內(nèi)水壓力，kN/m2；

A——彈性特征因數(shù)。

彈性特征因數(shù)計(jì)算公式：

式中：Eσ——混凝土彈性模數(shù)，kN/m2；

uσ——混凝土泊松比，取0.2；

Ko——巖石單位彈性抗力系數(shù)，kN/m2。

經(jīng)計(jì)算，彈性特征因數(shù)A為0.135。由于巖石抗力較大，h為負(fù)值即-1.2。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，為安全考慮，本次設(shè)計(jì)混凝土襯砌厚度為0.5 m。

3.4.2 襯砌配筋計(jì)算

根據(jù)混凝土開(kāi)裂，內(nèi)水壓力由鋼筋和圍巖共同承擔(dān)的情況，進(jìn)行配筋計(jì)算：

式中：Fa——鋼筋面積，m2；

Ea——鋼筋彈性模量，kN/m2；

[σa]——鋼筋允許拉應(yīng)力，kN/m2。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)a＜0，所以取最小配筋率0.15%進(jìn)行配筋，每立方米混凝土的鋼筋含量為12 kg。

4 結(jié)論

泄槽下游出口消能段樁號(hào)為0+296.65—0+303.12段，采用挑流消能，挑流鼻坎的水平長(zhǎng)度6.47m，寬10m，為現(xiàn)澆C25鋼筋混凝結(jié)構(gòu)，反弧半徑為10 m，挑角為25°，底板下設(shè)置齒墻，前齒墻埋深2.3 m，后齒墻埋深3.3 m，為防止水流淘刷齒墻，確保挑射水流能順利進(jìn)入河槽，齒墻后設(shè)鉛絲籠石護(hù)底，長(zhǎng)10 m，厚1 m。挑坎底部采用直徑25 mm錨筋與基巖連接，間距為1 m，長(zhǎng)4 m，伸入基巖3.5 m。