泄水建筑物工程设计中需要注意的事项

冯 俊

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002）

泄水建筑物工程设计中需要注意的事项

冯 俊

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002）

泄水建筑物工程是水利水电工程的重要组成部分，对于整个工程的功能发挥有着重要的影响。为了提高工程的最终质量，减少返工现象，在泄水建筑设计阶段就需要认真考量其方案以及相关的体型设计和数据计算。文章结合某水利工程实例对泄水建筑物设计中需要考虑的问题进行分析和探讨，希望对相关工作者有所帮助。

泄水建筑物；工程设计；隧洞；水力计算

0 前 言

泄水建筑物工程设计是一个系统的工作，需要对工程部位以及相关计算等进行认真的分析和确认，进而设计出科学合理的施工方案［1］。

为了提高泄水建筑物工程设计的质量，应该对设计方案以及相关的计算问题进行认真仔细的考量。

1 工程实例

某水利枢纽是防洪、发电等综合利用的水利工程，由土石坝、泄洪隧洞、冲沙放空洞等建筑物组成。

根据下游防洪要求，设计洪水时最大下泄流量限制为900m3／s，本次经调洪计算100a一遇设计洪水时，下泄洪峰流量为672.6m3／s。原100a一遇设计洪峰流量为1680m3／s，水库消减洪峰流量1007.4m3／s；其发电站装机为3×8000kW，共2.4×104kW。

建成水库增加保灌面积0.67万hm2，正常蓄水位时，水库面积为17.70km2，为发展养殖创造了有利条件。

2 泄水方案选择

该水利枢纽河谷地带相对较窄，山脊比较高，山坡比较陡峭，适合采用隧洞泄洪方案隧洞，并且隧洞布置在右岸。考虑到隧洞造价较高且施工困难，采用“龙抬头”无压泄流的形式与施工导流洞结合的型式。

3 泄水隧洞选线与布置

隧洞进口和出口剖面上和平面上的定位和选线问题很重要。综合考虑地形、地质、水力学、施工等因素，拟定不同方案进行技术比较选定。

该工程中枢纽布置于河弯地段，左岸山坡陡于右岸，且若布置隧洞则其出口处偏离主河道太远，所以隧洞应该布置于右岸。

从地质来看，该山梁除了表面有一层较深的风化岩外，下面大部分为坚硬玄武岩，强度较高，岩体中夹杂几条破碎带，但走向大多数与隧洞轴线成较大角度，将泄洪隧洞、及引水发电隧洞布置于右岸凸出的山梁中［2－3］。

4 隧洞的体型设计

隧洞的体型设计包括以下3项内容：进口建筑物、洞身断面型式与尺寸和出口消能段。

4.1 进口建筑物

该工程采用表孔堰顶泄流的泄水形式，进水口为开敞式，在进口的地方设置操作平台，堰顶设闸门用于控制泄流。

4.1.1 进口堰面曲线（以堰顶为坐标原点）

采用WES型堰面曲线，坝面铅直，方程为：

式中：Hd为定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hmax的75%～95%计算；K，n为与上游面有关的系数和指数，当坝面铅直时，K＝2.0，n＝1，850。

Hd＝（2822.85－2810）×75% ～95% ＝9.45～11.97取Hd＝10.24m

x1.85＝2.0Hd0.85y＝2.0×11.450.85y

即：x1.85＝15.89y

堰顶上游段采用椭圆曲线，其方程为：

堰顶下部与一倾斜直线相连接，再用圆弧与下游隧洞连接，以便水流平顺地进入。

4.1.2 闸门型式与尺寸

式中：a为0.28～0.3，取 a＝0.28；aHd＝2.867；a／b＝0.87＋3a＝0.87＋0.84＝1.71；b＝0.16；bHd＝1.68。上游段椭圆曲线方程为：

检修闸门和工作闸门都要设置平板门，设在进口的地方。闸门宽7m，高15m（由正常水位减堰顶高程加浪高而得：2820.50－2810＋4.3＝14.8m，取15m）。

4.2 洞身断面型式和尺寸

该工程隧洞为无压泄流隧洞，采用城门洞型断面，便于开挖和衬砌，水面线以下可获得较大的矩形过水断面。

调洪演算时已经拟订溢流孔口尺寸为7m×17m（为保证无压泄流，由校核洪水位减延顶高程加相应浪高而得：2824.03－2810＋2.76＝16.79m，取17m）。

由于水位经堰顶后马上跌落，所拟洞宽不变，而高度则以斜段为1∶1坡按cos45°折减，则洞身尺寸为7m×12.1m，具体通过水面曲线计算以后确定。

进口以后与斜洞连接，根据以往经验以1∶1坡度连接，反弧段以60.0m半径圆弧相连接。

4.3 出口消能段

隧洞出口的高程较高，为2750.0m，不过由于下游出口距离大坝和电站比较远，因此冲刷坑不会影响电站和大坝的正常运行。

由于隧洞出口宽度小，单宽流量大，所以在出口处设置扩散段。

鼻坎的型式与参数：设计采用平顺连续式挑流鼻坎。鼻坎高程应高出下游最高水位1～2m，以利于挑流水舌下缘的掺气。

校核水位时下游最高水位2754.94，高程定为2756m。转向不够平顺，使挑距较小；过大时，又使鼻坎下游延伸太长，增加工程量。

根据我国的工程实践和试验研究，采用挑射角＝30°，此出口为平段，为了水流能平顺挑出采用了较大的反弧半径R＝70.0m。

5 隧洞水力计算

设计中要求隧洞为无压泄流，为保证洞内稳定的明流状态，不出现忽而无压流、忽而有压流的明满流过渡流态，需进行水力计算［4－5］。

先确定平洞段底坡，然后进行水面线计算，高流速洞还应考虑掺气影响，掺气水面以上要有足够的净空。

出口段应计算挑距L及冲刷坑深度tk，根据这两个参数来判断其对工程的影响。

5.1 设计条件

该工程运行中，设计水位：Q设＝2822.74m，设计泄洪流量：Q设＝634.67m3／s

校核水位：校＝2824.03m，校核泄洪流量：Q校＝732.33m3／s

堰顶高程：∩＝2810.0m，堰高P＝10.0m。

下泄校核洪水时应满足各项要求，因此对校核情况进行水力计算。

5.2 平洞段底坡

假定过水断面为城门洞型下部的矩形断面，矩形断面的水面宽与底宽相等，则临界水深计算公式为：

过水断面面积：Ac＝hc×B＝73.8m2。

湿周：x＝B＋2hc＝28.0834m。

计算得到的临界坡降iC＝0.00459，由于泄流时水流流速较大，为不影响隧洞的泄流能力，隧洞应做成陡坡。

鉴于坡度太大施工不方便，底坡取i＝0.005。

5.3 隧洞水面曲线的计算：

P＝68.03m；q＝104.62m3／s；φ＝0.92484；E＝82.06m。

经试算得收缩断面水深hc＝2.759m。以收缩断面为起始位置，依次向下游计算平洞段水面曲线；已知隧洞底坡i＝0.005；洞宽B＝7m；起始断面水深hc＝2.759m；糙率n＝0.013；断面流速不均匀系数α＝1.05。以收缩断面为起始位置，计算公式为：

假定一定的水深，计算两端面之间的距离，直到断面间累计距离达到隧洞长度。具体计算过程见表1。

表1 水面曲线计算

由以上计算可得洞内水面线见表2。

表2 平洞段水面曲线

由于隧洞泄流时流速较大，yi必须考虑高速水流掺气的影响。掺气后的水深按以下公式计算：

式中：v、R为不计掺气时断面的平均流速和水力半径；H为考虑掺气后的水深；k为掺气系数取0.006。考虑掺气影响后，经计算（表2中最后两列）平洞段内曲面线见表3。

表3 平洞段水面曲线（掺气后）

为保证洞内为明流，水面线以上应留有一定的净孔，按规范要求高流速泄洪隧洞掺气水面以上的净空为洞身面积的15%～25%。

25%的净空是21.17m2，现有47.74m2，因此洞身断面满足要求。

由于还有许多因素没顾及，加上还要考虑与导流洞结合，留有一定的富余是必要的。

5.4 出口消能计算

出口消能计算包括：扩散角、挑距计算、冲坑深度计算和安全挑距。

5.4.1 扩散角

为减小单宽流量，减轻下游冲刷，利于消能，隧洞出口采用扩散段布置。为防止高速水流脱离边壁而发生空蚀，扩散角不宜过大。设计中采用的控制公式为：

为扩散段起始断面处流速和水深；K为经验系数，可取1.5～3.0，本设计取2.5。最终确定扩散角θ＝5°。

5.4.2 挑距计算

计算示意图见图1。

图1 挑距计算示意图

挑距计算：

鼻坎顶平速：ν均＝

5.4.3 冲坑深度计算

冲坑深度计算公式为：

式中：k为冲坑深度系数取1.2；q为单宽流量；Z为上下游水位差；t为下游水深。

经计算，ts＝12.89m。

5.4.4 安全挑距

L／tS＝35.92／12.89＝2.79＞2.5满足设计要求。

6 结 语

泄洪建筑物对于水利水电工程功能的发挥是至关重要的，只有对实际的工程地形以及相关的数据进行系统地分析，才能够设计出最合理的方案。

此外，在泄洪建筑的设计过程中，一定要仔细核定计算结果，以减少错误，提高建筑物设计的准确性。

［1］刘跃，彭玮.狮泉河水电站引水、泄水建筑物工程布置设计［J］.水力发电，2008，34（12）：81－83.

［2］王君.新疆水利枢纽工程泄水建筑物设计研究［J］.中国水运：下半月，2012，12（04）：159－160.

［3］苗青，王晓辉，刘顺萍，周陈超.黄河龙口水利枢纽工程泄水建筑物设计［J］.水利水电工程设计，2011，30（02）：26－28.

［4］娄晓波，余扬，王晓慧.航电工程泄水建筑物设计与研究［J］.黑龙江水利科技，2012，40（10）：26－28.

［5］郭西方，顾小兵，陈能玉，李娅.巴基斯坦汗华水电站工程泄水建筑物设计［J］.水利水电工程设计，2010，29（03）：25－27.

Some Points Needing to Pay Attentionin Discharge Structure Engineering Design

FENG Jun
（Guizhou Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550002，China）

discharge structure is an important part of hydraulic and hydropower project and has a vital iMPact on the function of the whole project. In order to heighten the final engineering quality and reduce rework phenomenon，it is necessary to seriously consider schemes and related type design and data.Combining with real example of discharge structure in a hydraulic engineering，some points needing to pay attention are analyzed and discussed，hopefully providing help for relevant designers.

discharge structure；engineering design；tunnel；hydaulic calculation

TV65

A

1007－7596（2014）08－0035－04

2014－02－27

冯俊（1965－），女，贵州贵阳人，高级工程师。