新疆托克逊县乌斯通沟水库灌溉洞设计分析

柴 扬

（吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司,新疆 吐鲁番 838000）

1 概况

乌斯通沟水库灌溉洞布置在左岸,洞长为305.90 m,由交通洞连接工作闸井和左岸坝顶,灌溉洞布置在左岸岩石洞段内,由进口段、有压洞段、竖井段、无压洞段、出口消能段组成,全长为340.90 m,设计引用流量3.0 m3/s。

2 设计资料

（1）进水口段

灌溉洞进口底板高程为873.0 m,进口段长5 m。为使水流平顺进洞,进口顶板为椭圆型曲线,椭圆方程为X2/22+Y2/0.72=1,边墙厚1.5 m。进口段截面为矩形,最前端横断面尺寸为4 m×2 m,末端横断面尺寸为2 m×2 m,长5 m,宽5.0 m,进口底板厚1.5 m,采用C25 钢筋混凝土结构。

（2）有压隧洞段

隧洞在工作闸井前为有压段,总长为61.83 m,纵坡i=0.085%,其中渐变段10 m,隧洞断面形式采用城门洞型,圆弧顶拱半径为1 m,侧墙高为1 m,底板宽为2 m。全洞Ⅳ类以下围岩,其他围岩较破碎及透水率高的部位进行固结灌浆,固结灌浆孔孔距3 m,成梅花布置,深入岩体3 m。

（3）工作闸井段

闸井段桩号0+061.83～0+079.83,总长为18 m,闸井孔口断面为矩形,总工作闸井横断面长度为8.0 m、宽度为5.0 m,竖井底板高程为868.53 m,边墙厚度为1.5 m,闸底板厚2.0 m。闸井采用C25 钢筋砼结构,闸井通过10 m的过渡段与上下游隧洞相连,闸井设检修门和弧形工作门,孔口闸门尺寸2.0 m×2.0 m。

（4）无压隧洞段

隧洞在工作闸井后为无压段,桩号0+079.83～0+305.90,总长为226.07 m,纵坡i=5.54%,其中渐变段10 m。断面形式与有压段相同,均采用城门洞型。全洞Ⅳ类以下围岩,其他围岩较破碎及透水率高的部位进行固结灌浆,固结灌浆孔孔距3 m,成梅花布置,深入岩体3 m。

（5）出口消能段

隧洞出口接出口消能段,斜坡段桩号为0+305.90～0+315.90,总长为10 m,纵坡1∶4.0,底宽从2 m渐变至4 m,底板厚1.0 m,两侧边墙高度2.0 m～5.5 m,与下游消力池接；消力池段桩号为0+315.90～0+340.90,总长为25 m,消能形式为底流式消能,

沿冲沟修建引水明渠,引水渠纵坡1∶4.0,渠长约50 m,将水引致底板高程为840 m矩形水池,水池尺寸为5 m×20 m,池深3.0 m,水池下游埋设两根φ1.5 m预制砼管从上坝公路下通过,将灌溉水排至下游河床后,再进入灌溉给水渠道。由于供水渠道归属于未建的供水工程,灌溉给水渠道接入点由于渠道高程未确定等原因本阶段无法确定。

3 生态基流设计

生态基流的计算方法通常采用Tenent法计算,即将多年平均流量的10%～30%作为生态基流[1-2]。生态基流丰水期按坝址断面多年平均流量20%确定,枯水期按坝址断面多年平均流量10%确定[1～2]。乌斯通沟坝址断面多年平均流量为1.30 m3/s,因此乌斯通沟水库丰水期（7月～8月）生态基流量为0.26 m3/s,枯水期（9月～次年6月）生态基流量为0.13 m3/s。

本工程初期蓄水期由放空冲砂洞（兼导流洞）通过闸门控制下泄最小流量以满足下游生态用水要求。运营期设置生态放水管下泄生态用水[3]。闸门前段接一管径为φ500 mm,管长20 m生态钢管,出口设置锥形阀接至闸门后段无压隧洞内,隧洞出口接消力池,消力池下游埋设两根φ1.5 m预制砼管,将生态基流和灌溉水排至下游河床。下游的青年渠首渠部接生态流量控制阀,便于灌溉期渠首下游下泄生态基流。

4 灌溉洞水力学计算

（1）灌溉隧洞洞径选取

灌溉放水管闸门竖井控制段前后分别为有压段和无压段。有压段出口底板高程为868.53 m,以水库死水位876.0 m时仍可按灌溉流量2.6 m3/s,加大流量3.0 m3/s,取水为控制条件进行孔口尺寸设计,按水力计算手册公式进行计算：

式中：Q为流量,m3/s；ω为管道面积,m2；H为作用水头；μc为流量系数；d为管道直径,m；L为管道计算段长度,76.83 m；λ为沿程阻力系数；α为动能修正系数；∑ξ为局部损失系数之和。

经计算管径为1.3 m。为减小进口处的水流流速、方便施工,最终采用顶拱半径为1 m,直墙高1 m,底宽2 m的城门洞断面。

（2）灌溉隧洞进口高程的确定

进水口的顶高程取水库死水位情况下（876.0 m）洞顶水深大于最小淹没深度,以确保进水口不产生负压和不产生漏斗状吸气旋涡。

按戈登公式计算,即：

式中：S为进水口淹没深度,m；v为进口断面流速,m/s；d为进口高度。

经计算按戈登公式计算的最小淹没深度为0.83 m。

b.进水口不产生负压的最小淹没深度

按下式计算：

式中：Δh1～Δh4分别为进口喇叭段、拦污栅、闸门段、渐变段等局部水头损失；Δh5为进水口沿程水头损失；v 为输水道平均流速,m/s；K 为不小于1.5的安全系数,取2。

经计算按不产生负压的最小淹没深度为0.33 m。

洞顶高程取875.0 m,底板高程取873.0 m,比淤砂高程872.5 m高0.5 m,满足要求。

（3）灌溉洞水面线计算

a.灌溉洞水面线根据能量方程,用分段求和法计算[5],计算公式如下:

式中：Δl1-2为分段长度,m；h1、h2为分段始、末断面水深,m；v1、v2为分段始、末断面平均流速,m/s；α1、α2为流速分布不均匀系数,取1.05；为灌溉洞底坡角度,（°）；i为灌溉洞底坡,i=tg；J为平均摩阻坡降（分段内）；n为洞身糙率系数,0.017；为分段平均流速,v=（v1+v2）/2,m/s；为分段平均水力半径,=（R1+R2）/2,m。

灌溉洞上游接调整段,其首部起始计算断面水深h1为得临界水深hk。

b.洞身首端断面的临界水深采用下式计算[6-7]：

式中：α为流量系数,取1.05；q为单宽流量系数m3/（s·m）。

c.掺气水深计算

灌溉洞水流掺气水深按下式计算：

灌溉洞水力计算成果见表1。

表1 灌溉洞水力计算成果表

（4）出口消能计算

经计算,消力池深2 m,池长25 m。

a.抗冲计算

计算公式同前

按抗冲要求计算出：消力池底板厚度1.15 m。

b.抗浮稳定计算

计算公式同前；

经计算,=0.74 m,故本次设计采用底板厚度1.0 m。

c.消能工设计

经上计算结果分析得出,灌溉洞消力池长度采用25 m,池深3.0 m,消力池底板厚1.0 m。

5 灌溉洞结构计算

根据隧洞地质情况和和流速情况,灌溉洞采用C25、厚度40 cm钢筋混凝土衬砌。施工开挖过程中根据围岩类别进行相对应的支护措施,进出口边坡采用外挂钢筋网喷锚防护。隧洞只进行衬砌结构计算,以确定衬砌应力及配筋[8-9]。

（1）荷载

作用在隧洞上的荷载主要有：同前导流、冲砂放空洞。

（2）荷载组合

表2 荷载组成及工况组合表

（3）计算结构

灌溉洞洞内衬砌厚度为0.4 m,有压洞及无压洞配筋成果表见表3。

表3 灌溉洞有压及无压段配筋成果表

6 结论

本次主要对乌斯通沟水库灌溉洞洞径选取、出口高程的确定、水面线计算、出口消能计算、以及对灌溉洞衬砌结构计算,以确定衬砌应力及配筋。灌溉洞内的衬砌厚度及配筋通过计算得出满足要求。通过对乌斯通沟水库灌溉洞的设计计算,为此类灌溉洞的计算提供了设计依据,经过对乌斯通沟水库灌溉洞设计分析计算,该项目计算与分析结果可靠,可以为今后优化类似工程和减少工程投资等提供依据。