有壓接無壓泄洪洞設計初探

鄭小玉，游 湘，劉麗娟

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

隨著我國水電建設的快速發(fā)展，一大批大、中型水電站相繼開工建設，相當數量的水電工程項目正在設計和待開工建設中。泄洪建筑物是水電樞紐中的重要組成部分，是保障工程安全、充分發(fā)揮樞紐效益的關鍵性建筑物。水電樞紐工程又多處于高山、峽谷之中，山高坡陡、河道狹窄、洪水流量大，需要在兩岸山體中布置泄洪隧洞，而實際工程中常遇直河道的樞紐布置，泄洪洞不能完全呈直線型布置為無壓洞，而需利用平面有壓轉彎適應大壩及河道布置為有壓接無壓泄洪洞。

目前正在建設的溪洛渡、錦屏一級等水電站的有壓接無壓泄洪洞的泄洪落差超過200m，泄量達到4 000m3/s，流速達50m/s，有壓接無壓泄洪洞的設計水平在不斷提高。國內部分有壓接無壓泄洪(放空)洞特征參數見表1。然而目前國內針對有壓接無壓泄洪洞的設計還沒有成熟的規(guī)程規(guī)范，滿足不了當前水電工程建設的需要。本文總結有壓接無壓泄洪洞的設計經驗，提出了有壓接無壓泄洪洞設計的系統思路和設計方法。

2 總體設計原則

樞紐泄洪總體布置需泄洪洞泄洪，而對于河道順直，沒有布置直線型泄洪洞條件的，可考慮采用有壓段平面轉彎、工作閘門后置的有壓接無壓泄洪洞布置形式。有壓接無壓泄洪洞布置一般包括引水渠、進水口(事故閘室段)、有壓洞段、控制段(工作閘室)、無壓洞段、出口消能防沖等建筑物。

有壓接無壓泄洪洞的布置應根據自然條件、工程特點、樞紐布置要求、施工及運用條件、經濟指標等因素，經技術經濟比較后選定。同時應注意協調泄洪、發(fā)電、航運、漂木及灌溉等建筑物在布置上的矛盾，避免相互干擾，并注意環(huán)保及景觀要求。有壓接無壓泄洪洞的泄量、工作閘門孔口的尺寸及高程等應根據水庫特征、水庫調蓄及水庫調度運行要求；樞紐泄洪建筑物泄洪流量的合理分配；地形、地質條件，河道特征(下游河床與兩岸抗沖能力)及消能要求；與相鄰建筑物布置協調；閘門型式及制作水平；造價及維修費用等因素；通過技術經濟比較選定。

有壓接無壓泄洪洞進出口宜布置在穩(wěn)定的巖石地基上，并應考慮巖體結構特征和地質構造，以及建庫后水文地質條件變化對建筑物及邊坡穩(wěn)定的不利影響。洞線宜選在地質構造簡單、圍巖完整穩(wěn)定、水文地質條件有利和施工、交通方便的地段。在宣泄設計洪水時，泄洪洞下泄水流產生的泄洪霧化和河道的沖淤不應影響其他建筑物的安全和正常運行。

為提高有壓接無壓泄洪洞的流量系數，在布置時應盡量縮短有壓洞段長度；同時為減少有壓段高壓水滲漏對下游大壩的不利影響，宜將有壓洞段布置在大壩帷幕上游。

3 有壓接無壓泄洪洞各部位建筑物設計

3.1 引水渠及進水口設計

當有壓接無壓泄洪洞進口不可避免地需采用引水渠引水時，引水渠應因地制宜地布置，使水流平順勻暢，體形宜簡單，便于施工。引水渠渠道需轉彎時，軸線的轉彎半徑不宜小于4倍渠底寬度，彎道至進水口宜有適當長度的直線段。引水渠底寬可為等寬或沿順水流方向收縮，在與進水口連接處宜與進水口前緣等寬。渠底坡可為平底或不大的反坡(傾向水庫)。

進水口宜布置在地勢開闊、水流條件平順、巖體條件相對較好、基礎承載能力相對較高的巖基上，并應盡量避免形成高邊坡，盡量避開不利的地質缺陷，保證施工及運行期的塔體穩(wěn)定及岸坡穩(wěn)定。根據不同的地形、地質條件及建筑物布置和使用要求，進口閘門井可選擇塔式、岸塔式、豎井式。

進水口底板高程取決于泄洪流量、閘門的制作水平、運行要求、水庫放空或沖沙的要求等，應經技術經濟比較后確定。進水口設計時需保證進水口前有最小的淹沒深度，以防止在庫水面發(fā)生立軸漩渦；當漩渦不可避免時，應考慮一定的消渦措施。

進水口孔口形狀宜采用窄高型，孔口高度不宜小于有壓隧洞直徑，孔口面積不宜小于有壓隧洞斷面面積。進水口流道體型應采用流線型。進水口應根據水庫的運行方式及閘門的運行檢修方式選擇設置一扇事故檢修閘門，或是檢修閘門、事故閘門分開設置，事故檢修閘門后應設置通氣孔。

3.2 有壓段設計

有壓洞段設計包括進口漸變段、洞身標準段、出口漸變段。有壓洞洞身標準段宜采用圓形斷面，其尺寸取決于控制段閘門孔口的尺寸。當有壓洞段體型較簡單時，洞身橫斷面面積可取閘門孔口面積的1/(0.85～0.9)倍；當有壓洞段體型較復雜時，洞身橫斷面面積可取閘門孔口面積的1/(0.80～0.85)倍。進口漸變段一般采用方變圓斷面型式，出口漸變段宜采用頂側三面收縮，以保證收縮段水流過渡平穩(wěn)，并不會出現負壓。有壓洞進、出口漸變段長度及收縮角與洞徑及流速有關，一般采用漸變段長度為1.5～2.0倍的洞徑或洞寬，收縮角及擴散角宜小于7°。

有壓洞段平面轉彎曲線段半徑不宜小于5倍的洞徑或洞寬，轉彎角不宜大于60°，且曲線段兩端的直線段長度，一般不宜小于5倍洞徑或洞寬。當洞內流速較高時，直線段長度宜加大到8～10倍洞徑，以保證直線段末端兩側壓力和流速對稱。

有壓洞應根據進水口和控制段底板高程設置一定的縱坡(傾向下游)。在各種工況下有壓洞內不允許出現明滿流交替的水流流態(tài)，并應滿足洞身有2.0m以上壓力余幅以及方便施工的要求。大壩帷幕下游的有壓洞段宜根據圍巖條件、相鄰建筑物情況確定合理的防滲措施。

3.3 控制段設計

控制段即工作閘室段，分為上下兩層，上層為啟閉設備控制室，下層為流道及閘門室。工作閘門室底板高程應稍低于進水口底板高程。 控制段孔口在閘門設計及水力條件許可的情況下，宜采用寬淺式。孔口尺寸大小宜根據泄洪流量、閘門的制作水平、運行要求等，經技術經濟比較后綜合確定。工作閘門室上層高程應根據工作閘門全開后閘門頂高程及油泵高度確定；操作室布置應綜合工作閘門運行、安裝檢修、電氣設備布置等要求確定。工作閘門支鉸高度由閘門布置決定，但支鉸大梁底部高程必須按無壓洞要求留有足夠的凈空余幅，保證水流不會擊濺到支鉸大梁。

地下工作閘門室應布置在圍巖完整穩(wěn)定、水文地質條件有利的區(qū)域。弧形工作閘門支鉸大梁背部巖體應完整，必要時采取固結灌漿等措施加固。地下工作閘門室應考慮防滲及排水設計。上室應設置對外交通洞，且交通洞排水宜排向洞外；下室應設置補氣洞，并應保證補氣洞有充足且順暢的氣源。補氣洞進口應與操作室分開，并設格柵防止污物進入；出口應盡量靠近閘門并布置在洞內最高位置。補氣洞設計時應保證洞內風速小于40～60m/s，且應盡量減少突變、彎頭等，以減少氣流阻力。

控制段是有壓接無壓泄洪洞流量的控制部位，其泄流能力可按公式(1)、(2)計算，且為保證有壓段出口及工作閘門室流道不發(fā)生空化、空蝕，控制段水流的流速應小于30m/s。

(1)

(2)

式中g——重力加速度；

Ac——控制斷面的斷面面積，m2；

Hc——對應控制斷面Ac而言的有效水頭；

μc——對應控制斷面Ac而言的流量系數；

∑ζl——控制斷面Ac以上的各段沿程水頭損失系數ζl之和；

∑ζM——控制斷面Ac以上的各段局部水頭損失系數ζM之和。

3.4 無壓段設計

無壓洞段平面布置應采用直線型，沿線應盡量減少結構變化，以保證水流平順。若無法避免需布置擴散段時，擴散段宜布置在水流比較平穩(wěn)的洞段，邊墻擴散處宜采用圓弧連接。

無壓洞段洞身縱斷面布置型式有一坡到底直線型、折線型、龍伸腰型、龍落尾型等，應綜合地形地質條件、水流條件、施工方法等選擇合理的型式。無壓洞段縱坡坡度應大于水流的臨界坡。當洞段水流流速較大時，為滿足水流強迫摻氣要求縱坡坡度宜適當增大，同時應方便施工，可采用8%～15%的坡度。無壓洞段縱坡的變化應盡量選在水流均勻穩(wěn)定的部位，為了改變變坡點水流狀態(tài)及壓力分布，宜采用圓弧連接。當無壓洞段縱斷面采用龍伸腰、龍落尾型式時，上、下平段可采用奧奇曲線、斜線段、反弧段進行連接。

無壓洞段橫斷面有圓拱直墻式、馬蹄形和圓形，橫斷面尺寸應滿足水力設計要求，最小尺寸以方便施工為宜。無壓洞斷面尺寸應通過水力設計及水工模型試驗確定。為獲得較大的過水斷面，一般采用圓拱直墻式斷面。

無壓洞水力設計應根據布置和流量進行水力要素計算，包括無壓洞水面線、斷面流速、摻氣水深、壓力分布、水流空化數等。水力設計要求洞內水流平穩(wěn)，沿程壓力變化平緩，非摻氣空腔內不允許出現負壓。應要求無壓洞段在摻氣水面以上有足夠的洞頂凈空余幅面積。當采用圓拱直墻式斷面時，摻氣水深不得超過直墻高度，摻氣水面以上的空間宜取為橫斷面面積的15%～25%，且當流速較高時，凈空余幅應適當增大。為保證泄洪洞沿線不發(fā)生空化、空蝕，當水流空化數小于0.3或流速大于30m/s時，應設置摻氣設施。當無壓洞段較長時，沿程宜增設補氣洞，以保證無壓洞段通氣順暢，氣流穩(wěn)定。

3.5 出口消能防沖設計

有壓接無壓泄洪洞出口常采用的消能方式主要為底流、挑流消能，相應的消能工為消力池和挑流鼻坎。底流消能對地質條件的要求較低，對尾水變幅的適應性較好，但消力池護坦板較厚較長，有時開挖量大，修建費用較高；挑流消能工程結構簡單，不需要修建大量的河床防護工程，但對下游地質條件要求較高，應防止水流對河岸的沖刷破壞，且由于水舌在空中摻氣以及入水時濺水形成的挑流霧化現象，對環(huán)境的影響較嚴重。故有壓接無壓泄洪洞出口消能防沖設計應綜合地質地形條件、施工、環(huán)境、造價等因素確定。

4 結束語

有壓接無壓泄洪洞是適應直河段水利樞紐布置的一種較靈活的泄洪洞型式。本文對有壓接無壓泄洪洞的布置及水力設計的闡述，希望對有壓接無壓泄洪洞設計有一定的參考作用，在以后有壓接無壓泄洪洞的設計工作中，還需進一步關注有壓段高壓水防滲設計、高速水流的防空蝕設計、下泄水流泄洪霧化對兩岸邊坡穩(wěn)定影響等問題。

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