某抽蓄电站下水库竖井式溢洪洞设计

胡 娟，杨 波

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南？长沙？410014)

1 概 述

某抽蓄电站下水库坝址集水面积2.96 km2，水库总库容为941.00万m3，调节库容826.00万m3。根据工程水文条件，设计洪峰流量(P=0.5%)44.20 m3/s，相应24 h洪量110.40万m3，校核洪峰流量(P=0.1%)55.00 m3/s，相应24 h洪量137.90万m3，正常蓄水位为157.00 m。

下水库大坝为混凝土面板堆石坝，汛期时上水库入库洪水和坝址上游洪水均汇集至下水库，下水库泄洪压力相对较大，应单独布置可靠的泄洪建筑物。根据下水库工程地形地质条件，大坝左、右岸无低矮垭口，覆盖层及全风化层较深，且下游存在村庄，不适合设置岸边式溢洪道。下水库1 000年一遇的校核洪峰流量为55 m3/s，最大下泄流量不大，从简化工程布置、节省工程投资、泄流能力、工程安全保障的角度考虑，下水库拟采用自由溢流的竖井式溢洪洞。

2 竖井式溢洪洞设计

2.1 竖井式溢洪洞结构

竖井式溢洪洞由环形溢流堰、圆形竖井及消能井、退水隧洞、出口消能段组成，详见图1。

图1 竖井式溢洪洞结构图

溢流堰采用环形实用堰，堰面曲线为1/4椭圆曲线，曲线方程为x2/1.52+y2/4.02=1，堰口直径6.50 m，竖井内径4 m。溢流堰堰高7.00 m，堰顶高程同正常蓄水位157.00 m，堰顶不设闸门，溢流堰采用C30钢筋混凝土结构。

圆形竖井采用内径4 m等直径圆形竖井，高58 m，采用1～2 m厚C30钢筋混凝土衬砌。为防止水流直接冲击竖井底板，在竖井中心线底部设6 m深消能井形成一定厚度水垫。消能井后设长380 m(水平投影长)的无压退水隧洞，无压隧洞为城门洞型，断面尺寸为3 m×4 m(宽×高)，采用全断面钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为0.5 m。

退水隧洞出口设置40 m长消力池，消力池底板厚2 m，左侧侧墙采用重力式挡墙，顶宽1.0 m，泄槽内侧垂直，背坡1∶0.35；右侧侧墙因须布置放水管工作检修阀门室，前段采用5.00 m宽混凝土墩，后段采用重力式挡墙，同左侧侧墙。消力池出口的底部设120 m长的海漫，并对岸坡采用混凝土+锚杆进行防护。

2.2 水力计算

竖井溢洪洞泄流能力采用环形实用堰公式进行计算：

式中，Q为流量(m3/s)；RL为堰口半径(m)；H为环形堰堰顶水头(m)；g为重力加速度(m/s2)；m为环形溢流堰流量系数。

通过计算，水位流量关系如表1所示。

表1 下水库竖井式溢洪洞水位流量关系表

3 水工模型试验

对该竖井式溢洪洞开展了水工模型试验，试验模型依据重力相似准则设计，模型比尺1∶40。竖井段、退水隧洞段采用有机玻璃制作，模拟环形溢流堰进水口前方库区长度约100 m，下游河道模拟长度为消力池出口下游240 m，模型总长约27 m。

3.1 泄流能力

因调洪成果中P=0.05%、P=0.1%和P=0.5%的下泄流量及上、下游水位完全一致，结合试验内容与要求，试验仅对P=0.1%频率洪水工况的水力学指标进行了观测。

试验时重点观测不同流量下的溢流堰顶水流流态，并对不同来流情况下的库水位进行了精细量测。在各种试验工况之下，环形堰处能呈自由堰流流态，水流紧贴堰壁下泄，竖井中间进气通畅，消能井内水体掺气明显。

环形溢流堰的泄流能力曲线如图2所示。

图2 竖井溢流堰泄流能力图

对流量和堰顶水头采用幂曲线进行拟合，可以得到如下关系式：

Q=44.363(Z-157.00)1.5825

式中，Q为下泄流量(m3/s)；Z为库水位(m)。

计算得出各特征水位下的试验流量，并与相应的设计流量进行比较。校核水位时(P=0.1%)，试验流量较设计值小8.76%，泄流能力相差不大，满足要求。

3.2 竖井和消能井段水力特性

水流流经环形溢流堰后，在重力的作用下跌入竖井之中，水流沿着井壁下泄，水层较薄，水流掺气充分；消能井内流态如图3所示。

图3 典型工况下竖井以及消能井段的流态图

当下泄P=1%、P=0.1%流量时，除了堰顶为正压外，堰面其余测点测出较小的负压，实测堰面负压值最大为-0.342×9.81 kPa，负压值较小，满足规范要求。竖井壁面压强不时出现负压，最大负压值为-1.07×9.81 kPa。消能井内压强随着下泄流量的增加而增大，P=0.1%工况最大压强为14.61×9.81 kPa。

水流跌入消能井后，跌落的水流与消能井中的水垫相互碰撞，形成强混掺、强紊动、强掺气的流态，从而消耗了大部分能量。竖井内水面波动剧烈，试验实测P=1%工况时，消能井内的水深为10.80～13.20 m；P=0.1%工况时，消能井内的水深为11.60～14.40 m。从流态上看，消能井底部可见少量清水区，说明消能井深度满足要求。

竖井段的消能率根据实测资料，结合下式进行计算(计算控制断面取隧洞连接段压坡段末端之后的下一个测点断面，即桩号溢0+014.780 m处)：

式中，η为竖井消能率；h为控制断面水深(m)；v为控制断面平均流速(m/s)；g为重力加速度(m/s2)；ΔH为上游水位与控制断面处的水位落差，ΔH=(H0-h0-h)，H0为上游水位(m)，h0为控制断面处的底板高程(m)。

经计算，下泄P=1%、P=0.1%流量时的消能率如表2所示。总体来看，竖井的消能率随着下泄流量的增加而减小。宣泄100年一遇洪水时的消能率为90.10%，下泄校核洪水(P=0.1%)时的消能率为81.93%。

表2 竖井消能率成果表

3.3 退水隧洞段水力学特性

当下泄P=1%、P=0.1%流量时，退水隧洞压坡段的水流为有压流。有压出口(压坡后)水流波动不大，最大波幅值0.72 m(水面高值与水面低值之差)；随着流量的减小，水面波动亦随之减小。

下泄P=1%洪水时，实测断面水深值为0.76～1.92 m，断面余幅在51%以上；下泄P=0.1%洪水时，实测断面水深值为0.88～2.00 m，断面余幅在46%以上。下泄P=0.1%洪水时，退水隧洞沿程流速值为8.11～13.64 m/s。随着下泄流量的减小，退水隧洞内沿程流速逐渐降低，100年一遇洪水时洞内流速在5.45～13.24 m/s之间。退水隧洞流速成果如表3所示，退水隧洞沿程水深成果如表4所示。

表3 退水隧洞流速成果表 m/s

表4 退水隧洞沿程水深成果表

3.4 消力池的水力学特性

下泄P=20%洪水时消力池内为面流流态；下泄P=5%及以上频率洪水(含P=1%～P=0.1%)时消力池内呈稳定的淹没水跃流态跃首位于出口明渠段尾部。总体来看，消力池内流态良好，未出现折冲水流和平面回流等不利流态，详见图4、图5。

图4 P=1%消力池流态

消力池内的水面波动随着下泄流量的增加而增大，水深在桩号泄0+400.000 m处达到最大，校核工况(P=0.1%)测得该断面最大水深为7.00 m，相应的水面高程为88.00 m，略低于消力池导墙顶部高程。

各试验工况消力池内的底部流速小于2.00 m/s，尾坎处测得校核洪水工况(P=0.1%)的最大流速为5.51 m/s。各工况消力池下游明渠段的沿程流速在1.49～2.98 m/s之间，大于明渠渠底的允许抗冲流速，需采取工程措施进行防护，防止水流对消力池尾部基础和明渠造成冲刷。

池内压力分布基本符合静水压强分布规律，测点压强基本随着下泄流量的增加而增大；校核洪水工况(工况P=0.1%)测得桩号溢0+415.000 m处的最大压强为5.90×9.81 kPa。

3.5 下游河道的水力学特性

各工况消力池内水流自尾坎自由下泄进入明渠段，测得明渠内桩号溢0+450.000 m处的最大水深为3.04 m(工况P=0.1%)，流态如图6、图7所示。工况P=1%，明渠段实测最大流速为3.28 m/s；工况P=0.1%，测得明渠段最大流速为3.70 m/s，大于下游明渠的抗冲流速，建议对明渠两侧边坡和底板进行适当防护。

图7 工况P=0.1%下游流态(2)

4 结 论

(1)竖井式溢洪洞及其尾部消能工的平面布置与体型设计合理，泄流能力满足要求。

(2)环形溢流堰进流平顺，为自由堰流流态，堰面负压值最大为-0.342×9.81 kPa。

(3)消能井段掺气充分，消能效果好，宣泄100年一遇及以上频率洪水时压坡段呈短有压流态，压坡后退水隧洞内流态良好，水面波动较小。

(4)竖井的消能率随着下泄流量的增加而减小，宣泄P=1%洪水时的消能率为90.10%，校核洪水工况的消能率为81.93%。

(5)退水隧洞段实测最大径向水深值为2.00 m，断面余幅在46%以上，隧洞沿程流速在8.11～13.64 m/s之间。

(6)消力池内流态良好，未出现折冲水流、平面回流等不利流态，消力池内最大水面线高程为88.00 m，略低于消力池导墙顶部高程。

(7)消力池内水流自尾坎处自由下泄进入明渠，明渠内测得最大水深为3.04 m(工况P=0.1%，桩号0+450.000 m)。工况P=1%实测明渠段最大流速为3.28 m/s，P=0.1%实测明渠段最大流速为3.70 m/s，大于明渠抗冲流速，可设置海漫进行进一步消能。