天台水库泄洪洞设计水力计算分析

张熙芳

(厦门仁铭工程顾问有限公司福州分公司，福建 福州 350001)

1 工程概况

1.1 工程总布置

天台水库大坝位于福州市马尾区天台山下游约500 m河段，距浩溪库尾约800 m，坝址以上流域面积10.75 km2。水库正常蓄水位(汛限水位)90.30 m，50 a一遇设计洪水位114.00 m，500 a一遇校核洪水位115.23 m，总库容315.38万 m3，小(1)型水库，属Ⅳ等工程，大坝、泄洪洞等主要建筑物

水库枢纽主要建筑物有大坝、泄洪洞、引水建筑物等。大坝采用浆砌石双曲拱坝，坝顶中部设溢流段自由溢流，堰顶高程113.07 m，堰净宽30 m，可拦蓄20 a一遇设计洪水最大12 h洪水量188.35万 m3而不下泄洪水。泄洪洞布置于大坝上游左岸，引水建筑物布置于拱坝右岸坝身。

1.2 泄洪洞布置

天台水库泄洪洞进口位于大坝轴线上游侧70 m左右，出口位于大坝下游100 m左右，隧洞总长162.98 m，洞后接锥阀室、消力池，泄洪洞水流经锥阀、消力池消能后由溢流段挑流泄往下游，设计最大泄洪流量20.73 m3/s。泄洪洞由进口段、方形平洞段、竖井闸室段、渐变段、圆形隧洞段、出口钢衬段、锥阀消能段、溢流段、及启闭房等组成。

2 泄洪洞水力计算分析

2.1 进水口底高程确定

根据《水利水电工程进水口设计规范》(SL285-2020)3.3.4条“有压式进水口应保证在上游最低运行水位时有足够的淹没深度，保证口门流态平稳。最小淹没深度宜按附录B.1估算”。

(1)从防止产生贯通式漏斗漩涡考虑的最小淹没深度可按下公式确定：

S=Cvd1/2

(1)

式中：C为系数，侧向水流取0.73；v为闸孔断面平均流速(m/s)，取2.66m/s；d为闸孔高度(m)，取隧洞进口洞高2 m。

经计算，最小淹没深度S=2.74 m。

(2)为保证进水口内为压力流的最小淹没深度同时满足下式：

(2)

式中：K为安全系数，不小于1.5，取2；Δh1为拦污栅水头损失(m)，取0.01m；Δh2为压进水口喇叭段水头损失(m)，取0.02 m；Δh3为闸门槽水头损失(m)，取0 m；Δh4为压力管道渐变段水头损失(m)，取0 m；Δh5为进水口流道沿程水头损失(m)，取0.01 m；v5为进水口流道平均流速(m/s)，取2.66 m/s。

经计算，最小淹没深度S=2 m。

设计选定进水口洞顶高程为87.0 m，泄洪洞运行工况最低水位为汛限水位90.3 m，最低水位下淹没深度为3.3 m>max(2.74，2)m，满足最小淹没深度。

2.2 过流能力计算

水工隧洞过流能力按流态为有压流、自由出流计算，计算公式根据《水力工程设计计算手册》隧洞有压流泄量公式：

(3)

(4)

通过计算，隧洞最大泄流流量为20.73 m3/s。按照水库防洪调度要求，每次洪水过后，必须在48 h内通过泄洪洞泄洪将库水位降至汛限水位，以准备迎接下一场洪水。水库水位在113.07～90.3 m之间下，泄洪洞平均泄流流量为16.35 m3/s，水库区间库容为188.35万 m3，经计算最快可在32 h内排完，满足48 h内通过泄洪洞泄洪要求。

表1 泄洪洞不同水位泄流流量表

2.3 验算洞顶压力余幅与空化数

根据《水工隧洞设计规范》(SL279-2016)5.1.2条规定“有压隧洞不应出现明满流交替的流态，在最不利运行条件下，全线洞顶处最小压力水头不应小于2m”。洞顶压力余幅根据《水力工程设计计算手册》恒定管流中简单管道测压管水头计算公式进行计算。

根据《水工隧洞设计规范》(SL279-2016)附录B.0.1规定“高流速水工隧洞设计时，应使水流空化数σ大于初生空化数σi”。高流速水工隧洞应按下式计算沿程水流空化数σ：

(5)

(6)

(7)

式中：P0为计算断面处的时均动水压力(kPa)，当水流流速大于30 m/s时，应计脉动压力的影响；Pa为计算断面处的大气压力(kPa)，对不同高程按式估算；γw为水的重度(kN/m3)，取9.81 kN/m3；为海平面以上高度(m)；Pv为水的汽化压力(kPa)，取水温20℃时的2.4 kPa；ρw为水的密度(kN)；g为重力加速度(m/s2)；v0为计算断面处的水的流速(m/s)，可按实测流速分布图取断面平均流速。

由表2计算可知，泄洪洞在水库水位113.07～90.30 m之间泄洪时，除出口处外(出口断面压力分布不符合静水压力规律)的隧洞洞顶的压力余幅水头均大于2 m，满足规范要求最小洞顶压力水头。

表2 不同水位下隧洞各断面处洞顶压的压力余幅与空化数

隧洞最小空化数为水库水位113.07 m时泄洪，泄洪洞出口空化数为0.51，竖井闸室段空化系数24.38(>初生空化数0.6)，其余段落空化数均大于1.7。根据规范要求水流空化数在0.36～0.60之间，隧洞可不设置掺气设施，主要通过控制隧洞洞壁突体高度在12 mm以内，不平整突体正面坡磨平坡度为1/10、侧面坡磨平坡度为1/5。

2.4 溢流段水面线计算

按照防洪调度要求，计算泄洪洞溢流段水面线时，水库水位选用113.07 m高程，此时最大泄洪流量为20.73 m3/s。溢流段起始断面为消力池出口处，起始水深取为临界水深2.22 m。

泄槽段水面线采用《溢洪道设计规范》(SL253-2018)附录A.3.1中的“分段求和法”公式计算，水流掺气水深按附录A.3.2中公式计算。

由表3可知，溢流段各段的侧墙顶高程均能满足要求，泄槽最小空化数为反弧最低点0.78，根据规范A.7.4条，可不设置掺气设施，但泄槽水流边壁表面不平整应予处理，在溢流落差≤20 m时，控制壁面突体高度在60 mm以内。

表3 溢流段水面线与水流空化数计算成果

2.5 溢流段挑流消能计算

泄洪洞宣泄洪水经溢流段挑流鼻坎挑流泄往下游，设计泄洪流量10.62～20.73 m3/s。根据《溢洪道设计规范》(SL253-2018)附录A.4，计算公式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：L为水舌抛距，自挑坎末端算起至挑流水舌外缘与下游水面交点的水平距离(m)；v1为坎顶水面流速(m/s)；v为坎顶平均流速(m/s)；H0为水库水位至坎顶的落差(m)；θ为挑流水舌水面出射角(°)，近似可取用挑坎挑角θ=10°；h1为坎顶末端竖直方向水深(m)，取h1=h/cosθ；h为坎顶平均水深(m)；h2为坎顶至河床面高差(m)，如形成冲坑可算至坑底，取h2=24 m；Z0为坎顶末端断面水面以上的水头(m)；φ为堰面流速系数；hf为泄槽沿程损失水头(m)；hj为泄槽各项局部损失水头之和，可取hj/Z0为0.05；S为泄槽流程长度(m)，取28 m；q为泄槽单宽流量(m2/s)。

表4 消能防冲计算成果表

根据计算结果，两种工况下冲刷坑后坡均满足规范要求。因此，从理论计算分析冲坑深度满足设计要求。右岸输水管道沿高程60 m布置，冲坑位于挑流鼻坎方向下游主河槽中，高程在41～45 m之间，距离输水管道最近距离大于30 m，已远离水工建筑物，从地形和地质条件看，挑流对两岸不会构成大冲刷。

3 结语

泄洪建筑物是水库枢纽不可缺少的重要组成部分，是保障枢纽安全和使枢纽能发挥预期效益的关键性建筑物。天台水库泄洪洞具有水头高、流速大、空化系数较低的特点，高速水流问题较为突出。设计通过对泄洪洞进水口底高程、过流能力、洞顶压力余幅与空化数、溢流段水面线、挑流消能等整体水力计算，对泄洪洞体形、尺寸进行设计及复核，经合理设计泄洪洞规模能满足泄洪需求。天台水库已于2020年4月完工，泄洪洞经历一年汛期泄洪考验，目前运行良好，保证天台水库大坝汛期防洪度汛安全。