重庆市观景口水利枢纽泄洪放空洞型式选择与水力分析

2016-09-02程晓鸣

水利水电工程设计 2016年2期

程晓鸣

·工程设计与施工·

程晓鸣

重庆市观景口水利枢纽水库总库容为1.52亿m3，主坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高为58.9 m。泄洪放空洞为 “三结合”综合利用建筑物，除了担负水库运行期遭遇洪水时与溢洪道联合泄洪外，还在施工前期用于导流度汛，水库检修时放空水库。对工程泄洪放空洞型式选择及水力计算分析进行了阐述。

面板堆石坝泄洪放空洞型式水力观景口水利枢纽

观景口水利枢纽是重庆市重点水源工程之一，位于巴南区五布河干流上，水库坝址位于巴南区东泉镇上游约4.5 km的双胜村，距重庆市市中心约55 km。工程的主要任务以城市供水为主，同时兼顾沿线小城镇、农业灌溉及农村人畜用水。主要供水对象为重庆市南岸区的茶园鹿角组团、输水沿线的二圣镇、惠民镇及坝下游的东泉镇等。

重庆市观景口水利枢纽由水库工程和输水工程组成，水库总库容1.52亿m3，调节库容1.19亿m3。输水工程线路总长25.03 km，设计输水流量4.76 m3/s，加大输水流量5.76 m3/s。工程规模为大（2）型。导流标准采用枯水期20年一遇洪水标准，相应五布河洪峰流量为191 m3/s。

工程枢纽由主坝、副坝、溢洪道、泄洪放空洞、输水建筑物进水口及生态放水管等组成。主坝坝型为混凝土面板堆石坝，坝顶高程283.90 m，防浪墙顶高程285.10 m，防浪墙高1.2 m。坝顶总长305.1 m，坝顶宽6 m，最大坝高58.9 m，上、下游坝坡均为1∶1.4。

泄洪放空洞为 “三结合”综合利用建筑物，除了担负水库运行期遭遇洪水时与溢洪道联合泄洪外，还在施工前期用于导流度汛，水库检修时放空水库。泄洪放空洞布置在五布河左岸，距大坝直线距离约150 m，为龙抬头型式。泄洪洞由引渠段、进口控制段、渐变段、洞身段、出口消能段和出口防护段组成。

1 地形、地质条件

坝址区河谷为基本对称的 “V”形谷。左岸地形坡度约为26°，右岸地形坡度20°～30°，两岸局部地形较陡，坡度大于35°，自下而上逐渐变缓。左岸山顶高程320 m，右岸山顶高程381 m，谷岭高差150 m左右。

泄洪放空洞洞线与地层走向大角度相交，穿越地层岩性主要为侏罗系中统上沙溪庙组泥岩、粉砂岩夹砂岩及砂岩等，岩质较软，隧洞围岩条件较差，且位于地下水位以下。隧洞前半段为NW向，至坝轴线后转为SN向，与岩层走向斜交。

泄洪放空洞埋深30～50 m，进口段埋深10～35 m，据钻孔地下水位资料，洞室大部分位于地下水位以下，出口部分洞室位于地下水位以上。泄洪放空洞沿线基本为弱风化-新鲜围岩，无大的地质构造，成洞条件较好。根据围岩分类，进口段围岩类别为Ⅲ类，出口段围岩类别为Ⅴ类，洞身段围岩为Ⅲ类和Ⅳ类，Ⅲ类围岩隧洞长度66.1 m，占隧洞段长度 22.15%；Ⅳ类围岩隧洞长度181.868 m，占隧洞段长度60.94%；Ⅴ类围岩隧洞长度70.827 m，占隧洞段长度23.73%。

2 隧洞型式选择

泄洪放空洞型式选择结合导流洞考虑建筑物的布置、泄流能力满足水库放空要求，并充分利用泄洪洞分担下泄洪水，以尽量减小溢洪道泄流规模，从而节省工程投资。

2.1 进口型式及布置选择

比较方案泄洪放空洞利用导流洞改建而成，进口型式分上、下两层，分别为泄洪放空洞和导流洞进口，泄洪洞进口在上，导流洞进口在下，导流洞进口底板高程235.00 m，泄洪放空洞口底板高程246.50 m。推荐方案泄洪洞进口高程不变，采用直线布置，设一个进口，首先满足正常运行的泄洪和放空功能，然后可考虑利用泄洪洞导流，泄洪洞同时肩负泄洪、放空和导流功能。

比较方案导流洞洞口较低，导流泄流能力相对较大，围堰较低。但该方案需要在下闸蓄水时封堵导流洞进口至龙抬头竖向转弯段的部分，进口段洞室较大，封堵混凝土工程量较大，相应施工难度增加，并且由于进口段岩体覆盖层较薄，存在一定施工风险。推荐方案导流洞进口抬高，围堰加高，但该方案省去了封堵体混凝土和封堵闸门，同时避免了洞室交叉带来的施工风险。

2.2 进口工作闸门型式选择

泄洪放空洞工作闸门可选择弧形闸门或平板闸门控制型式，弧形闸门可以局部开启控制泄量，增加水库调度运行的安全性，便于运行管理，但需布置相对较大的闸室和交通系统，相应闸门竖井工程量和投资较大。平板闸门布置相对简单，闸室和闸门竖井工程量和投资相对较小，但平板闸门较难控制泄量，只能通过全开或全关调整控泄，且难以避免局部开启时较大的震动区，给水库运行管理带来诸多不便，对工程运行安全不利。为了确保水库调度运行的安全性，便于后期运行和工程管理，泄洪放空洞进口工作闸门型式选择可控泄的弧形闸门型式。

2.3 隧洞有压或无压型式选择

有压隧洞泄流能力大，单宽流量大，相应下游消能防冲设施工程量较大，且有压隧洞对衬砌防渗和埋深要求较高，本工程所处地质条件相对较差，枢纽挡水坝坝型为面板堆石坝，工程风险相对较大；对于放空功能，泄量大，将频繁启闭控泄，操作困难，下游消能防冲压力大。对于无压隧洞，泄流能力相对较小，但相对下游消能防冲设施工程量较小，工程运行风险较小，隧洞选择无压型式。

经对两方案主体工程投资进行对比，比较、推荐方案工程投资分别为3 254万元和2 987万元，推荐方案在工程投资方面具有明显的优势。泄洪放空洞采用一个洞口兼有导流功能、进口设弧形工作闸门、前端有压后部无压隧洞型式。

3 泄洪放空洞水力分析

3.1 泄量

泄洪放空洞进口为有压进水，工作闸门后进入洞身段为无压流。泄量采用有压流计算公式。

式中 μ——流量系数；

A——隧洞出口断面面积；

T0——由有压短管出口的闸孔底板高程算起的上游水库水深，m；

hp——隧洞出口断面水流的平均势能。

经计算各水头下泄流流量见表1。

3.2 水面线

表1 泄洪放空洞泄量计算成果表m3/s

式中 φ——流速系数；

q1——“龙抬头”末端断面单宽流量；

ΔH——闸孔收缩断面与计算断面之间底板高程差；

hc——闸孔收缩断面水深；

vc——闸孔收缩断面流速。

隧洞内临界水深计算公式：

式中 hk——隧洞内临界水深；

q1——洞内单宽流量。

隧洞内掺气水深计算公式：

式中 ha——掺气后的水深；

h、v、R——未掺气水流的水深、流速、水力半径；

Δ——表面的绝对粗糙度，Δ=0.002 m。

泄洪放空洞进口龙抬头末端水深、正常水深、临界水深计算成果见表2。

由于h1＜h0＜hk，故洞内水面线型式为c2型壅水曲线。经计算无压流断面出口最小净空为29.0%，满足15%~25%的要求。

根据泄洪放空洞水工模型试验成果，当水库为设计水位281.32 m时，试验流量为575.00 m3/s，比设计流量 506.00 m3/s大 14.1%，流量系数 μ=0.917；当水库为校核水位283.03 m时，试验流量为590.00 m3/s，比设计流量521.00 m3/s大13.9%，流量系数μ=0.917。各工况泄量均大于设计计算值。