有压接无压泄洪洞设计初探

2012-04-14郑小玉刘丽娟

水电站设计 2012年1期

郑小玉，游湘，刘丽娟

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

随着我国水电建设的快速发展，一大批大、中型水电站相继开工建设，相当数量的水电工程项目正在设计和待开工建设中。泄洪建筑物是水电枢纽中的重要组成部分，是保障工程安全、充分发挥枢纽效益的关键性建筑物。水电枢纽工程又多处于高山、峡谷之中，山高坡陡、河道狭窄、洪水流量大，需要在两岸山体中布置泄洪隧洞，而实际工程中常遇直河道的枢纽布置，泄洪洞不能完全呈直线型布置为无压洞，而需利用平面有压转弯适应大坝及河道布置为有压接无压泄洪洞。

目前正在建设的溪洛渡、锦屏一级等水电站的有压接无压泄洪洞的泄洪落差超过200m，泄量达到4 000m3/s，流速达50m/s，有压接无压泄洪洞的设计水平在不断提高。国内部分有压接无压泄洪(放空)洞特征参数见表1。然而目前国内针对有压接无压泄洪洞的设计还没有成熟的规程规范，满足不了当前水电工程建设的需要。本文总结有压接无压泄洪洞的设计经验，提出了有压接无压泄洪洞设计的系统思路和设计方法。

2 总体设计原则

枢纽泄洪总体布置需泄洪洞泄洪，而对于河道顺直，没有布置直线型泄洪洞条件的，可考虑采用有压段平面转弯、工作闸门后置的有压接无压泄洪洞布置形式。有压接无压泄洪洞布置一般包括引水渠、进水口(事故闸室段)、有压洞段、控制段(工作闸室)、无压洞段、出口消能防冲等建筑物。

有压接无压泄洪洞的布置应根据自然条件、工程特点、枢纽布置要求、施工及运用条件、经济指标等因素，经技术经济比较后选定。同时应注意协调泄洪、发电、航运、漂木及灌溉等建筑物在布置上的矛盾，避免相互干扰，并注意环保及景观要求。有压接无压泄洪洞的泄量、工作闸门孔口的尺寸及高程等应根据水库特征、水库调蓄及水库调度运行要求；枢纽泄洪建筑物泄洪流量的合理分配；地形、地质条件，河道特征(下游河床与两岸抗冲能力)及消能要求；与相邻建筑物布置协调；闸门型式及制作水平；造价及维修费用等因素；通过技术经济比较选定。

有压接无压泄洪洞进出口宜布置在稳定的岩石地基上，并应考虑岩体结构特征和地质构造，以及建库后水文地质条件变化对建筑物及边坡稳定的不利影响。洞线宜选在地质构造简单、围岩完整稳定、水文地质条件有利和施工、交通方便的地段。在宣泄设计洪水时，泄洪洞下泄水流产生的泄洪雾化和河道的冲淤不应影响其他建筑物的安全和正常运行。

为提高有压接无压泄洪洞的流量系数，在布置时应尽量缩短有压洞段长度；同时为减少有压段高压水渗漏对下游大坝的不利影响，宜将有压洞段布置在大坝帷幕上游。

3 有压接无压泄洪洞各部位建筑物设计

3.1 引水渠及进水口设计

当有压接无压泄洪洞进口不可避免地需采用引水渠引水时，引水渠应因地制宜地布置，使水流平顺匀畅，体形宜简单，便于施工。引水渠渠道需转弯时，轴线的转弯半径不宜小于4倍渠底宽度，弯道至进水口宜有适当长度的直线段。引水渠底宽可为等宽或沿顺水流方向收缩，在与进水口连接处宜与进水口前缘等宽。渠底坡可为平底或不大的反坡(倾向水库)。

进水口宜布置在地势开阔、水流条件平顺、岩体条件相对较好、基础承载能力相对较高的岩基上，并应尽量避免形成高边坡，尽量避开不利的地质缺陷，保证施工及运行期的塔体稳定及岸坡稳定。根据不同的地形、地质条件及建筑物布置和使用要求，进口闸门井可选择塔式、岸塔式、竖井式。

进水口底板高程取决于泄洪流量、闸门的制作水平、运行要求、水库放空或冲沙的要求等，应经技术经济比较后确定。进水口设计时需保证进水口前有最小的淹没深度，以防止在库水面发生立轴漩涡；当漩涡不可避免时，应考虑一定的消涡措施。

进水口孔口形状宜采用窄高型，孔口高度不宜小于有压隧洞直径，孔口面积不宜小于有压隧洞断面面积。进水口流道体型应采用流线型。进水口应根据水库的运行方式及闸门的运行检修方式选择设置一扇事故检修闸门，或是检修闸门、事故闸门分开设置，事故检修闸门后应设置通气孔。

3.2 有压段设计

有压洞段设计包括进口渐变段、洞身标准段、出口渐变段。有压洞洞身标准段宜采用圆形断面，其尺寸取决于控制段闸门孔口的尺寸。当有压洞段体型较简单时，洞身横断面面积可取闸门孔口面积的1/(0.85～0.9)倍；当有压洞段体型较复杂时，洞身横断面面积可取闸门孔口面积的1/(0.80～0.85)倍。进口渐变段一般采用方变圆断面型式，出口渐变段宜采用顶侧三面收缩，以保证收缩段水流过渡平稳，并不会出现负压。有压洞进、出口渐变段长度及收缩角与洞径及流速有关，一般采用渐变段长度为1.5～2.0倍的洞径或洞宽，收缩角及扩散角宜小于7°。

有压洞段平面转弯曲线段半径不宜小于5倍的洞径或洞宽，转弯角不宜大于60°，且曲线段两端的直线段长度，一般不宜小于5倍洞径或洞宽。当洞内流速较高时，直线段长度宜加大到8～10倍洞径，以保证直线段末端两侧压力和流速对称。

有压洞应根据进水口和控制段底板高程设置一定的纵坡(倾向下游)。在各种工况下有压洞内不允许出现明满流交替的水流流态，并应满足洞身有2.0m以上压力余幅以及方便施工的要求。大坝帷幕下游的有压洞段宜根据围岩条件、相邻建筑物情况确定合理的防渗措施。

3.3 控制段设计

控制段即工作闸室段，分为上下两层，上层为启闭设备控制室，下层为流道及闸门室。工作闸门室底板高程应稍低于进水口底板高程。控制段孔口在闸门设计及水力条件许可的情况下，宜采用宽浅式。孔口尺寸大小宜根据泄洪流量、闸门的制作水平、运行要求等，经技术经济比较后综合确定。工作闸门室上层高程应根据工作闸门全开后闸门顶高程及油泵高度确定；操作室布置应综合工作闸门运行、安装检修、电气设备布置等要求确定。工作闸门支铰高度由闸门布置决定，但支铰大梁底部高程必须按无压洞要求留有足够的净空余幅，保证水流不会击溅到支铰大梁。

地下工作闸门室应布置在围岩完整稳定、水文地质条件有利的区域。弧形工作闸门支铰大梁背部岩体应完整，必要时采取固结灌浆等措施加固。地下工作闸门室应考虑防渗及排水设计。上室应设置对外交通洞，且交通洞排水宜排向洞外；下室应设置补气洞，并应保证补气洞有充足且顺畅的气源。补气洞进口应与操作室分开，并设格栅防止污物进入；出口应尽量靠近闸门并布置在洞内最高位置。补气洞设计时应保证洞内风速小于40～60m/s，且应尽量减少突变、弯头等，以减少气流阻力。

控制段是有压接无压泄洪洞流量的控制部位，其泄流能力可按公式(1)、(2)计算，且为保证有压段出口及工作闸门室流道不发生空化、空蚀，控制段水流的流速应小于30m/s。

(1)

(2)

式中g——重力加速度；

Ac——控制断面的断面面积，m2；

Hc——对应控制断面Ac而言的有效水头；

μc——对应控制断面Ac而言的流量系数；

∑ζl——控制断面Ac以上的各段沿程水头损失系数ζl之和；

∑ζM——控制断面Ac以上的各段局部水头损失系数ζM之和。

3.4 无压段设计

无压洞段平面布置应采用直线型，沿线应尽量减少结构变化，以保证水流平顺。若无法避免需布置扩散段时，扩散段宜布置在水流比较平稳的洞段，边墙扩散处宜采用圆弧连接。

无压洞段洞身纵断面布置型式有一坡到底直线型、折线型、龙伸腰型、龙落尾型等，应综合地形地质条件、水流条件、施工方法等选择合理的型式。无压洞段纵坡坡度应大于水流的临界坡。当洞段水流流速较大时，为满足水流强迫掺气要求纵坡坡度宜适当增大，同时应方便施工，可采用8%～15%的坡度。无压洞段纵坡的变化应尽量选在水流均匀稳定的部位，为了改变变坡点水流状态及压力分布，宜采用圆弧连接。当无压洞段纵断面采用龙伸腰、龙落尾型式时，上、下平段可采用奥奇曲线、斜线段、反弧段进行连接。

无压洞段横断面有圆拱直墙式、马蹄形和圆形，横断面尺寸应满足水力设计要求，最小尺寸以方便施工为宜。无压洞断面尺寸应通过水力设计及水工模型试验确定。为获得较大的过水断面，一般采用圆拱直墙式断面。

无压洞水力设计应根据布置和流量进行水力要素计算，包括无压洞水面线、断面流速、掺气水深、压力分布、水流空化数等。水力设计要求洞内水流平稳，沿程压力变化平缓，非掺气空腔内不允许出现负压。应要求无压洞段在掺气水面以上有足够的洞顶净空余幅面积。当采用圆拱直墙式断面时，掺气水深不得超过直墙高度，掺气水面以上的空间宜取为横断面面积的15%～25%，且当流速较高时，净空余幅应适当增大。为保证泄洪洞沿线不发生空化、空蚀，当水流空化数小于0.3或流速大于30m/s时，应设置掺气设施。当无压洞段较长时，沿程宜增设补气洞，以保证无压洞段通气顺畅，气流稳定。

3.5 出口消能防冲设计

有压接无压泄洪洞出口常采用的消能方式主要为底流、挑流消能，相应的消能工为消力池和挑流鼻坎。底流消能对地质条件的要求较低，对尾水变幅的适应性较好，但消力池护坦板较厚较长，有时开挖量大，修建费用较高；挑流消能工程结构简单，不需要修建大量的河床防护工程，但对下游地质条件要求较高，应防止水流对河岸的冲刷破坏，且由于水舌在空中掺气以及入水时溅水形成的挑流雾化现象，对环境的影响较严重。故有压接无压泄洪洞出口消能防冲设计应综合地质地形条件、施工、环境、造价等因素确定。