楼庄子水库工程溢洪洞的水力计算

吴 琨

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

楼庄子水库工程溢洪洞的水力计算

吴 琨

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

楼庄子水库是头屯河上游山区控制性骨干工程，其主要任务是灌溉、防洪和城市生活及工业供水，是一座综合利用的水库枢纽工程。溢洪洞为楼庄子水库工程的主要泄洪建筑物，通过对其进口控制段、无压洞身段及出口消能段的水力计算，分析了溢洪洞的结构布置、进出口尺寸等设计要求及水力特性。计算结果表明，本工程溢洪洞泄流能力满足规范要求且流态较好，可为类似工程提供一定参考。

溢洪洞；水力计算；水库工程

1 工程概况

楼庄子水库工程位于头屯河上游中低山区，昌吉市硫磺沟镇以南25 km处，距下游昌吉市硫磺沟镇楼庄子村8 km。楼庄子水库是头屯河上游山区控制性骨干工程，工程的主要任务是灌溉、防洪和城市生活及工业供水，是一座综合利用的水库枢纽工程。水库总库容为7374万m3，正常蓄水位为1394.5 m，死水位1353.3 m。水库工程由黏土心墙坝、导流兼泄洪冲沙洞、溢洪洞、引水洞等组成。大坝为黏土心墙坝，最大坝高82.6 m。

根据《防洪标准》(GB 50201-2014)及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2000)的规定[1-2]，确定楼庄子水库工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。各主要建筑物级别：大坝为2级建筑物；溢洪洞、导流兼泄洪冲沙洞和引水洞为3级建筑物；次要建筑物及临时建筑物为4级建筑物。

2 结构布置

引渠段长度为10.2 m，底板高程1388.0 m，梯形断面，底宽8.0 m。控制段长20.7 m，采用WES实用堰，堰顶高程1391.0 m，堰高3.0 m，净宽8.0 m。隧洞段长444.6 m，由斜坡段、反弧段、渐变段、洞身段组成。其中，斜坡段长5.8 m，断面型式尺寸由8.0 m×7.0 m(宽×高)矩形渐变为断面型式尺寸8.0 m×7.0 m(宽×高)城门洞形；反弧段长12.8 m，断面型式为城门洞形，断面尺寸为8.0 m×7.0 m(宽×高)；渐变段长20.0 m，断面型式为城门洞形，断面尺寸由8.0 m×7.0 m(宽×高)渐变为6.0 m×7.0 m(宽×高)；洞身段长406.0 m，断面型式为城门洞形，断面尺寸为6.0 m×7.0 m。泄槽段长79.6 m，由抛物线段和陡槽段组成。其中，抛物线段长17.0 m；陡槽段长62.6 m，纵坡i=0.5，断面型式为矩形，断面尺寸为6.0 m×5.0 m。挑流消能段的挑流鼻坎长18.5 m，宽6.0 m，为整体式结构。

3 水力计算

溢洪洞的水力计算包括：进口控制段、无压洞身段、泄槽段以及出口消能段。

3.1 进口控制段

所以堰曲线方程为：

Y=0.114 994 592X1.85

(1)

堰前部采用三段圆弧连接，其参数为：R1=0.5Hd；R2=0.2Hd；R3=0.04Hd；b1=0.282Hd；b2=0.276Hd；b3=0.175Hd。

堰泄流能力计算公式[4]：

(2)

式中：m为流量系数，无量纲,根据设计水头Hd，上游堰高P1及堰上水头H0等查表利用内插法确定；c为上游堰影响系数(当上游堰面为铅直时，取1.0)，无量纲；ε为侧收缩系数，无量纲；ζ0=0.8，ζK=1.0；B为堰宽，B=8.0 m；H0为堰前计入行进流速水头的堰上总水头，取H0=H，H为堰顶静水头，设计洪水工况取6.4 m，校核洪水工况取6.6 m；σs为淹没系数，σs=1.0。

泄流能力计算如表1所示。

表1 表孔溢洪洞泄流能力计算表

根据水库调洪演算成果：溢洪洞防洪高水位最大泄量为282.7 m3/s；溢洪洞设计泄量为289.6 m3/s；溢洪洞校核泄量为305.0 m3/s。计算结果表明所确定的堰型及孔口尺寸全开可满足泄流要求。

根据调洪调度分析，当库水位低于防洪高水位1397.2 m时，溢洪洞设计泄量为120.0 m3/s，由溢洪洞进口堰流计算可知，在防洪高水位工况下，溢洪洞进口下泄能力为282.7 m3/s。因此，在防洪高水位工况需控制闸门开度，设计洪水位和校

核洪水位工况下敞泄，以满足设计要求。计算公式采用：

(3)

式中：σs为淹没系数，σs=1.0；b为单孔净宽，m；n为闸孔孔数；H0为包括行近流速水头的闸前水头，m；μ为闸孔自由出流的流量系数，无量纲；e为闸门开启高度，m。

计算结果如表2所示。

表2 表孔溢洪洞控制段不同水位闸门开度控制表

3.2 无压洞身段

洞身段断面尺寸为6.0 m×7.0 m(宽×高)城门洞形，洞身坡降为i=0.02，隧洞直墙高根据校核流量水面线确定，且洞内净空余幅不小于15%，因溢洪洞有排漂任务，洞内净空余幅应适当加大。洞身水面线根据恒定非均匀渐变流，采用分段求和法，以堰后反弧段末端收缩水深为控制水深，向下游推算水面线。反弧段末端收缩水深采用公式(4)计算。反弧段末端收缩水深计算见表3。

(4)

式中：E0为以下游河床为基准面的泄水建筑物上游总水头，m；q为收缩断面处的单宽流量，m3/s；g为重力加速度，取9.81 m/s2；φ为流速系数，取0.95 ；hc为收缩水深，m。

洞衬钢筋混凝土糙率系数n=0.014，坡降i=0.02，流量305.0 m3/s，起始断面收缩水深h0=2.0 m。表孔溢洪洞洞身水面线计算结果见表4。

表3 洞身反弧段末端收缩水深计算表

表4 表孔溢洪洞洞身段水面线计算表

根据计算结果，表孔溢洪洞洞身水面线隧洞段水深最深处为桩号0+465.26，水深为3.3 m，洞身空间最小余幅40.2%，满足泄洪和排漂净空要求。

3.3 泄槽段

泄槽段面6.0 m×5.0 m(宽×高)矩形断面，按设计流量及校核流量两种工况进行计算，即设计流量289.6 m3/s，校核流量305.0 m3/s，混凝土衬砌的糙率取n=0.014。采用分段求和法逐段推算水力要素，最终控制条件，取校核流量，控制断面为隧洞末端(桩号0+465.26)，由洞身段水力计算可知，控制断面水深为3.3 m，以混凝土糙率0.014的运行工况的参数确定断面。

掺气水深参照《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)进行计算[4]，公式如式(5)。

(5)

式中：hb为计入波动及掺气的水深，m；h为不计波动及掺气的水深，m；v为不计波动及掺气的计算断面上的平均流速，m/s；ξ为修正系数，一般取ξ=1.0～1.4 s/m，本阶段取1.4 s/m。

表5 槽身水力计算表

根据计算结果，泄槽内最大流速V=30.53 m/s，最大水深和最大掺气水深分别为3.3 m和4.0 m。所以所确定的泄槽断面尺寸6.0 m×5.0 m(b×h)满足泄流要求。

3.4 出口消能段

溢洪洞出口采用挑流消能，计算公式如式(6)：

(6)

式中：L为挑流水舌至下游水面的挑距，m；h1、v1分别为鼻坎出口断面法向水深和坎顶水面流速，m,m/s；θ为水舌水面射出角；h2为鼻坎坎顶与下游河床的高差，m；g为重力加速度，m/s2。

冲刷坑最大水垫深度：

(7)

式中：q为鼻坎末端断面单宽流量，m3/s；Z为上下游水位差，m；K为中和冲刷系数，取1.6。

计算结果为挑流鼻坎半径19.0 m，挑角30°，鼻坎末端高程1333.4 m，最大挑距133.8 m，最大冲坑深23.4 m。对挑坎稳定和下游不会造成不利影响。

4 结 论

通过对溢洪洞的进口控制段、无压洞身段、泄槽段，以及出口消能段的水力计算，结果表明：溢洪洞的孔口尺寸全开可满足泄流要求；洞身空间满足泄洪和排漂净空要求；出口挑坎稳定，对下游不会造成不利影响。

[1] 中华人民共和国住房和建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.防洪标准：GB 50201-2014[S].北京：中国计划出版社，2014.

[2] 中华人民共和国水利部.水利水电工程等级划分及洪水标准：SL 252-2000[S].北京：中国水利水电出版社，2000.

[3] 李炜.水力计算手册[M].第二版.北京：中国水利水电出版社，2006.

[4] 中华人民共和国水利部. 溢洪道设计规范：SL 253-2000[S].北京：中国水利水电出版社，2000.

Spillway hydraulic calculation of Louzhuangzi reservior project

WU Kun

(XinjiangScientificResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Urumqi830000,China)

Louzhuangzi reservoir project is the controlled key project in the upstream mountainou area of Toutun River. It is a comprehensive utilization reservoir project and its tasks are irrigation, flood control, urban and industrial water supply. The Spillway is mainly flood releasing structure of Louzhuangzi reservior project, The structure arrangement, inlet and outlet dimensions and hydraulic characteristics of spillway are analyzed by the hydraulic calculation of inlet control section, non-pressure hole section and outlet dissipation section. The calculation results show that the discharge capacity of the spillway fits standard requirement and the flow pattern is good. This paper can provide a reference for similar projects.

spillway; hydraulic calculation; reservior project

吴 琨(1985-)，女，江苏如东人，工程师，主要从事水工隧洞设计工作。E-mail：86775648@qq.com。

TV651.3；TV13

A

2096-0506(2017)04-0062-04