泄洪洞之导流泄洪水力计算和技术验证

李 闯

（运城市水利勘测设计研究院有限公司，山西 运城 044000）

导流泄洪洞是水工结构比较常用的泄水建筑物，通常在水库工程施工前期用来导流，竣工后用于泄洪，其设计型式随地质、工程结构、运行等方面的限制而不同。在导流泄洪过程中会发生明流、压流这两种工况，一般根据不同工况分别展开计算[1-2]。导流泄洪洞设计中，根据水力分析结果优化导流泄洪洞型式，以获得最佳设计方案。

1 瓦舍水库概况

瓦舍水库位于垣曲县城以北12 km的瓦舍村南，坝址位于黄河流域亳清河左家湾支流上。坝址以上控制流域面积20.4 km2，总库容108.72万m3，为小（一）型水库，工程等别为Ⅳ等。水库枢纽由大坝、溢洪道、导流泄洪洞组成，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。防洪标准为30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。水库死（泥沙）水位701.81 m，正常蓄水位713.85 m，设计洪水位715.88 m，校核洪水位717.97 m。

大坝坝型为沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程718.5 m，防浪墙顶高程719.5 m，最大坝高30.5 m。坝顶长212 m，坝顶宽8 m，上、下游坝坡分别采用1∶2和1∶1.75。

溢洪道位于大坝左岸，为开敞式布置，由进水渠、控制段、泄槽段和消能段四部分组成，全长303.12 m，控制段宽15 m，出口消能段采用挑流式消能，均为钢筋混凝土结构。设计泄流量71.24 m3/s，校核泄洪流量205.60 m3/s。

导流泄洪洞布置于大坝左岸，全长236.1 m，由进口段、进口闸井段、洞身段、出口弧形闸门控制段和挑流消能段组成，均为钢筋混凝土结构。泄洪洞采用有压形式，断面为圆形，直径2.8 m，设计水头23.05 m，下泄流量69.2 m3/s，校核水头24.97 m，下泄流量72.2 m3/s。

2 导流泄洪洞设计

泄洪洞及供水管进口距坝轴线85 m，出口位于大坝下游。为减少工程投资，泄洪洞及供水管共用一个进水塔，各自设置闸门控制，即泄洪通过低孔口，将水引入隧洞中，通过隧洞出口挑流式消能设施挑入下游河道；供水通过高孔口，将水引入隧洞下方埋设的直径800 mm钢管中，通过闸阀控制供水[3-4]。

2.1 地质概况

泄洪洞及供水管位于坝址左岸，洞底部高程694—690.6 m，洞径2.8 m，总长236.1 m。洞轴线多处于弱风化带岩层内，洞顶围岩厚0～31 m。节理裂隙较发育，岩体较破碎，表层强风化层厚0～13 m，该段位于地下水位以上。

泄洪洞及供水管穿越围岩以Ⅳ类围岩为主，整体成洞条件较差。另外，洞身安山岩，岩石的弹性抗力系数K取1 200～2 000 MN/m3，静弹性模量E取4.3～10.6万MPa，动弹性模量E=7.1～8.6万MPa，岩石坚固系数f取12。

2.2 泄洪洞及供水管型式

瓦舍水库工程任务为农业灌溉、城市及生态供水，因工程规模较小，为了简化枢纽布置，减少工程投资，将导流、泄洪功能相结合，布置一条综合利用隧洞。从坝址区地形、地质以及工程建设便利性等条件考虑，将泄洪洞及供水管布置在左岸山体中。

泄洪洞及供水管进口采用竖井式结构（进水塔），泄洪洞口及供水管口联合布置，采用同一塔体，进水口左右独立布置，各自设置闸门控制，其中供水管口布置于进水塔左侧，根据泥沙淤积计算，水库运行30年后，坝前淤积面高程为701.81 m，将此高程作为供水口底板高程；泄洪孔口布置于进水塔右侧，底板高程694.0 m，在工程施工期间泄洪洞兼具施工导流的作用。

根据工程总体布置方案，隧洞采用上游侧闸门控制，断面为圆形。为减少工程投资，泄洪洞及供水管共用进水塔，泄洪通过进水塔右侧孔口，将水引入隧洞中，通过隧洞出口挑流式消能挑入下游河道；供水通过进水塔左侧孔口，将水引入隧洞下方埋设的直径800 mm钢管中，在隧洞出口0+170处向右侧拐出，通过闸阀控制供水。

2.3 进水塔孔口工作水头确定

本隧洞为有压洞，需要考虑其运行所需的淹没深度。为防止产生贯通式漏斗漩涡，最小淹没深度可以按下列公式计算：

式中：S——最小淹没水深，m；

d——闸孔高度，m；

V——闸孔断面平均流速，m/s；

C——系数，对称水流取0.55。

经计算，S=1.5 m。进水塔上共设两个有压孔口，其中高进水口孔高1 m，考虑运行的安全性，工作水头取2.5 m。

3 水力学计算

依据防洪要求，瓦舍水库防洪标准为30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核，考虑施工导流和淹没占地设计需要，本次计算频率为20%、5%、3.33%和0.33%的洪水过程[5-6]。该水库设计有压泄洪隧道，包含进口喇叭段、渐变段、出口渐变段等。

3.1 过水能力计算

本次设计闸底板高程为694.0 m，校核洪水位717.97 m，设计洪水位715.88 m，洞径为2.8 m。根据公式H/a=7.8＞1.5判断隧洞为有压流，其过流能力计算按下式计算：

式中：ω——隧洞出口断面面积，m2；

T0——上游水面与隧洞出口底板高程差及上游行进水头之和，m；

hp——隧洞出口断面水流的平均单位势能，m；

μ—流量系数。

流量系数计算公式：

式中：ω——隧洞出口断面面积，m2；

ζi——隧洞第i段上的局部能量损失系数，与之

相对应的流速所在的断面面积为ωi；

li——隧洞第i段的长度，与之相应得断面面积、

水力半径和谢才系数分别为ωi、Ri和Ci。不同工况下，泄洪洞的过流能力计算成果见表1。

表1 不同工况泄洪洞泄流能力计算成果表

由计算结果可知，泄洪洞在设计洪水位及校核洪水位下的泄流能力满足洪水调节需要。

供水管管径为0.8 m，出口底高程687.5 m，在水库最低水位701.81 m时，经计算：管道的流量系数为0.19，过水流量为1.6 m3/s，满足设计要求。

3.2 泄洪洞在校核洪水位时的总水头和压坡线

从表2中计算结果可知，隧洞出口处顶部可能产生负压，但由于泄洪过程历时短、负压危害性较小。

表2 校核洪水位时总水头和压坡线计算成果表

3.3 消能防冲水力计算

3.3.1 冲刷坑最大深度计算冲刷坑最大水垫深度按下式计算：

式中：T——自下游水面至坑底最大水垫深度，m；

q——鼻坎末端断面单宽流量，m3/（s·m）；

Z——上、下游水位差，m；

k——综合冲刷系数，根据地质条件，取k＝1.4。

上游水位为挑坎高程加上流速水头，冲坑下游河道为陡坡，下游水深采用平均断面的临界水深来代替。设计洪水时单宽流量16.2 m2/s，计算冲坑深度为9.06 m。

3.3.2 总挑距计算

挑流水舌外缘挑距按《溢洪道设计规范》（SL 253-2000）中公式计算：

式中：L′——自挑流鼻坎末端算起至下游河床面挑流水舌外缘挑距，m。

v1——鼻坎坎顶水面流速，按鼻坎处平均流速的1.1倍计，m/s；

θ——挑流水舌水面出射角，近似取用鼻坎挑角θ＝30°；

h1——挑流鼻坎末端法向水深，m；

h2——鼻坎坎顶至下游河床高程差，m。

水面以下水舌长度的水平投影按《水力计算手册》中公式计算：

式中：Lc——水面以下水舌长度的水平投影，m；

β——水舌外缘与下游水面的夹角。

总挑距为挑流水舌外缘挑距与水面以下水舌长度的水平投影之和，计算如下：

设计洪水时鼻坎末端水深及断面平均流速分别近似取用泄槽末端水深及流速，经计算，设计洪水时总挑距为41.29 m。

3.4 洞身标准断面结构计算

3.4.1 衬砌厚度计算公式：

式中：h——衬砌厚度，m；

rB——衬砌内半径，m；

[σ]——混凝土允许轴心拉应力，kN/m2；

P——均匀内水压力，kN/m2；

A——弹性特征因数。

弹性特征因数计算公式：

式中：Eσ——混凝土弹性模数，kN/m2；

uσ——混凝土泊松比，取0.2；

Ko——岩石单位弹性抗力系数，kN/m2。

经计算，弹性特征因数A为0.135。由于岩石抗力较大，h为负值即-1.2。根据《水工隧洞设计规范》，为安全考虑，本次设计混凝土衬砌厚度为0.5 m。

3.4.2 衬砌配筋计算

根据混凝土开裂，内水压力由钢筋和围岩共同承担的情况，进行配筋计算：

式中：Fa——钢筋面积，m2；

Ea——钢筋弹性模量，kN/m2；

[σa]——钢筋允许拉应力，kN/m2。

经计算，Fa＜0，所以取最小配筋率0.15%进行配筋，每立方米混凝土的钢筋含量为12 kg。

4 结论

泄槽下游出口消能段桩号为0+296.65—0+303.12段，采用挑流消能，挑流鼻坎的水平长度6.47m，宽10m，为现浇C25钢筋混凝结构，反弧半径为10 m，挑角为25°，底板下设置齿墙，前齿墙埋深2.3 m，后齿墙埋深3.3 m，为防止水流淘刷齿墙，确保挑射水流能顺利进入河槽，齿墙后设铅丝笼石护底，长10 m，厚1 m。挑坎底部采用直径25 mm锚筋与基岩连接，间距为1 m，长4 m，伸入基岩3.5 m。