某抽蓄電站下水庫豎井式溢洪洞設(shè)計

胡 娟，楊 波

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南？長沙？410014)

1 概 述

某抽蓄電站下水庫壩址集水面積2.96 km2，水庫總庫容為941.00萬m3，調(diào)節(jié)庫容826.00萬m3。根據(jù)工程水文條件，設(shè)計洪峰流量(P=0.5%)44.20 m3/s，相應(yīng)24 h洪量110.40萬m3，校核洪峰流量(P=0.1%)55.00 m3/s，相應(yīng)24 h洪量137.90萬m3，正常蓄水位為157.00 m。

下水庫大壩為混凝土面板堆石壩，汛期時上水庫入庫洪水和壩址上游洪水均匯集至下水庫，下水庫泄洪壓力相對較大，應(yīng)單獨布置可靠的泄洪建筑物。根據(jù)下水庫工程地形地質(zhì)條件，大壩左、右岸無低矮埡口，覆蓋層及全風(fēng)化層較深，且下游存在村莊，不適合設(shè)置岸邊式溢洪道。下水庫1 000年一遇的校核洪峰流量為55 m3/s，最大下泄流量不大，從簡化工程布置、節(jié)省工程投資、泄流能力、工程安全保障的角度考慮，下水庫擬采用自由溢流的豎井式溢洪洞。

2 豎井式溢洪洞設(shè)計

2.1 豎井式溢洪洞結(jié)構(gòu)

豎井式溢洪洞由環(huán)形溢流堰、圓形豎井及消能井、退水隧洞、出口消能段組成，詳見圖1。

圖1 豎井式溢洪洞結(jié)構(gòu)圖

溢流堰采用環(huán)形實用堰，堰面曲線為1/4橢圓曲線，曲線方程為x2/1.52+y2/4.02=1，堰口直徑6.50 m，豎井內(nèi)徑4 m。溢流堰堰高7.00 m，堰頂高程同正常蓄水位157.00 m，堰頂不設(shè)閘門，溢流堰采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圓形豎井采用內(nèi)徑4 m等直徑圓形豎井，高58 m，采用1～2 m厚C30鋼筋混凝土襯砌。為防止水流直接沖擊豎井底板，在豎井中心線底部設(shè)6 m深消能井形成一定厚度水墊。消能井后設(shè)長380 m(水平投影長)的無壓退水隧洞，無壓隧洞為城門洞型，斷面尺寸為3 m×4 m(寬×高)，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.5 m。

退水隧洞出口設(shè)置40 m長消力池，消力池底板厚2 m，左側(cè)側(cè)墻采用重力式擋墻，頂寬1.0 m，泄槽內(nèi)側(cè)垂直，背坡1∶0.35；右側(cè)側(cè)墻因須布置放水管工作檢修閥門室，前段采用5.00 m寬混凝土墩，后段采用重力式擋墻，同左側(cè)側(cè)墻。消力池出口的底部設(shè)120 m長的海漫，并對岸坡采用混凝土+錨桿進(jìn)行防護(hù)。

2.2 水力計算

豎井溢洪洞泄流能力采用環(huán)形實用堰公式進(jìn)行計算：

式中，Q為流量(m3/s)；RL為堰口半徑(m)；H為環(huán)形堰堰頂水頭(m)；g為重力加速度(m/s2)；m為環(huán)形溢流堰流量系數(shù)。

通過計算，水位流量關(guān)系如表1所示。

表1 下水庫豎井式溢洪洞水位流量關(guān)系表

3 水工模型試驗

對該豎井式溢洪洞開展了水工模型試驗，試驗?zāi)Ｐ鸵罁?jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，模型比尺1∶40。豎井段、退水隧洞段采用有機玻璃制作，模擬環(huán)形溢流堰進(jìn)水口前方庫區(qū)長度約100 m，下游河道模擬長度為消力池出口下游240 m，模型總長約27 m。

3.1 泄流能力

因調(diào)洪成果中P=0.05%、P=0.1%和P=0.5%的下泄流量及上、下游水位完全一致，結(jié)合試驗內(nèi)容與要求，試驗僅對P=0.1%頻率洪水工況的水力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了觀測。

試驗時重點觀測不同流量下的溢流堰頂水流流態(tài)，并對不同來流情況下的庫水位進(jìn)行了精細(xì)量測。在各種試驗工況之下，環(huán)形堰處能呈自由堰流流態(tài)，水流緊貼堰壁下泄，豎井中間進(jìn)氣通暢，消能井內(nèi)水體摻氣明顯。

環(huán)形溢流堰的泄流能力曲線如圖2所示。

圖2 豎井溢流堰泄流能力圖

對流量和堰頂水頭采用冪曲線進(jìn)行擬合，可以得到如下關(guān)系式：

Q=44.363(Z-157.00)1.5825

式中，Q為下泄流量(m3/s)；Z為庫水位(m)。

計算得出各特征水位下的試驗流量，并與相應(yīng)的設(shè)計流量進(jìn)行比較。校核水位時(P=0.1%)，試驗流量較設(shè)計值小8.76%，泄流能力相差不大，滿足要求。

3.2 豎井和消能井段水力特性

水流流經(jīng)環(huán)形溢流堰后，在重力的作用下跌入豎井之中，水流沿著井壁下泄，水層較薄，水流摻氣充分；消能井內(nèi)流態(tài)如圖3所示。

圖3 典型工況下豎井以及消能井段的流態(tài)圖

當(dāng)下泄P=1%、P=0.1%流量時，除了堰頂為正壓外，堰面其余測點測出較小的負(fù)壓，實測堰面負(fù)壓值最大為-0.342×9.81 kPa，負(fù)壓值較小，滿足規(guī)范要求。豎井壁面壓強不時出現(xiàn)負(fù)壓，最大負(fù)壓值為-1.07×9.81 kPa。消能井內(nèi)壓強隨著下泄流量的增加而增大，P=0.1%工況最大壓強為14.61×9.81 kPa。

水流跌入消能井后，跌落的水流與消能井中的水墊相互碰撞，形成強混摻、強紊動、強摻氣的流態(tài)，從而消耗了大部分能量。豎井內(nèi)水面波動劇烈，試驗實測P=1%工況時，消能井內(nèi)的水深為10.80～13.20 m；P=0.1%工況時，消能井內(nèi)的水深為11.60～14.40 m。從流態(tài)上看，消能井底部可見少量清水區(qū)，說明消能井深度滿足要求。

豎井段的消能率根據(jù)實測資料，結(jié)合下式進(jìn)行計算(計算控制斷面取隧洞連接段壓坡段末端之后的下一個測點斷面，即樁號溢0+014.780 m處)：

式中，η為豎井消能率；h為控制斷面水深(m)；v為控制斷面平均流速(m/s)；g為重力加速度(m/s2)；ΔH為上游水位與控制斷面處的水位落差，ΔH=(H0-h0-h)，H0為上游水位(m)，h0為控制斷面處的底板高程(m)。

經(jīng)計算，下泄P=1%、P=0.1%流量時的消能率如表2所示?？傮w來看，豎井的消能率隨著下泄流量的增加而減小。宣泄100年一遇洪水時的消能率為90.10%，下泄校核洪水(P=0.1%)時的消能率為81.93%。

表2 豎井消能率成果表

3.3 退水隧洞段水力學(xué)特性

當(dāng)下泄P=1%、P=0.1%流量時，退水隧洞壓坡段的水流為有壓流。有壓出口(壓坡后)水流波動不大，最大波幅值0.72 m(水面高值與水面低值之差)；隨著流量的減小，水面波動亦隨之減小。

下泄P=1%洪水時，實測斷面水深值為0.76～1.92 m，斷面余幅在51%以上；下泄P=0.1%洪水時，實測斷面水深值為0.88～2.00 m，斷面余幅在46%以上。下泄P=0.1%洪水時，退水隧洞沿程流速值為8.11～13.64 m/s。隨著下泄流量的減小，退水隧洞內(nèi)沿程流速逐漸降低，100年一遇洪水時洞內(nèi)流速在5.45～13.24 m/s之間。退水隧洞流速成果如表3所示，退水隧洞沿程水深成果如表4所示。

表3 退水隧洞流速成果表 m/s

表4 退水隧洞沿程水深成果表

3.4 消力池的水力學(xué)特性

下泄P=20%洪水時消力池內(nèi)為面流流態(tài)；下泄P=5%及以上頻率洪水(含P=1%～P=0.1%)時消力池內(nèi)呈穩(wěn)定的淹沒水躍流態(tài)躍首位于出口明渠段尾部?？傮w來看，消力池內(nèi)流態(tài)良好，未出現(xiàn)折沖水流和平面回流等不利流態(tài)，詳見圖4、圖5。

圖4 P=1%消力池流態(tài)

消力池內(nèi)的水面波動隨著下泄流量的增加而增大，水深在樁號泄0+400.000 m處達(dá)到最大，校核工況(P=0.1%)測得該斷面最大水深為7.00 m，相應(yīng)的水面高程為88.00 m，略低于消力池導(dǎo)墻頂部高程。

各試驗工況消力池內(nèi)的底部流速小于2.00 m/s，尾坎處測得校核洪水工況(P=0.1%)的最大流速為5.51 m/s。各工況消力池下游明渠段的沿程流速在1.49～2.98 m/s之間，大于明渠渠底的允許抗沖流速，需采取工程措施進(jìn)行防護(hù)，防止水流對消力池尾部基礎(chǔ)和明渠造成沖刷。

池內(nèi)壓力分布基本符合靜水壓強分布規(guī)律，測點壓強基本隨著下泄流量的增加而增大；校核洪水工況(工況P=0.1%)測得樁號溢0+415.000 m處的最大壓強為5.90×9.81 kPa。

3.5 下游河道的水力學(xué)特性

各工況消力池內(nèi)水流自尾坎自由下泄進(jìn)入明渠段，測得明渠內(nèi)樁號溢0+450.000 m處的最大水深為3.04 m(工況P=0.1%)，流態(tài)如圖6、圖7所示。工況P=1%，明渠段實測最大流速為3.28 m/s；工況P=0.1%，測得明渠段最大流速為3.70 m/s，大于下游明渠的抗沖流速，建議對明渠兩側(cè)邊坡和底板進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)。

圖7 工況P=0.1%下游流態(tài)(2)

4 結(jié) 論

(1)豎井式溢洪洞及其尾部消能工的平面布置與體型設(shè)計合理，泄流能力滿足要求。

(2)環(huán)形溢流堰進(jìn)流平順，為自由堰流流態(tài)，堰面負(fù)壓值最大為-0.342×9.81 kPa。

(3)消能井段摻氣充分，消能效果好，宣泄100年一遇及以上頻率洪水時壓坡段呈短有壓流態(tài)，壓坡后退水隧洞內(nèi)流態(tài)良好，水面波動較小。

(4)豎井的消能率隨著下泄流量的增加而減小，宣泄P=1%洪水時的消能率為90.10%，校核洪水工況的消能率為81.93%。

(5)退水隧洞段實測最大徑向水深值為2.00 m，斷面余幅在46%以上，隧洞沿程流速在8.11～13.64 m/s之間。

(6)消力池內(nèi)流態(tài)良好，未出現(xiàn)折沖水流、平面回流等不利流態(tài)，消力池內(nèi)最大水面線高程為88.00 m，略低于消力池導(dǎo)墻頂部高程。

(7)消力池內(nèi)水流自尾坎處自由下泄進(jìn)入明渠，明渠內(nèi)測得最大水深為3.04 m(工況P=0.1%，樁號0+450.000 m)。工況P=1%實測明渠段最大流速為3.28 m/s，P=0.1%實測明渠段最大流速為3.70 m/s，大于明渠抗沖流速，可設(shè)置海漫進(jìn)行進(jìn)一步消能。