科克塔斯水庫泄洪洞水力學(xué)計(jì)算研究

□ 趙 寧 □ 霍鶴飛 □ 徐 威（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

1 工程概況

科克塔斯水庫位于伊寧市北部的匹里青河出山口水文站上游0.50km處，距伊寧市約30km。水庫由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、引水發(fā)電洞、灌溉洞及電站廠房等建筑物組成，總庫容4613萬m3，最大壩高88m，是一座以鄉(xiāng)鎮(zhèn)及工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪和發(fā)電等綜合利用的中型水利樞紐工程。

泄洪洞由導(dǎo)流洞改建而成，與導(dǎo)流洞在平面上為同一軸線，由引渠段、進(jìn)口塔架段、洞身段、出口消能段組成。見圖1。

圖1 泄洪洞消能段末端橫剖面圖

進(jìn)口塔架位于導(dǎo)流洞導(dǎo)0+086.00～導(dǎo)0+103.00處，長(zhǎng)17m，寬11m，進(jìn)口底高程922.00m。塔架內(nèi)設(shè)有檢修門和弧形工作門各一道，事故檢修門尺寸為3.30m×2.88m（寬×高），工作門孔口尺寸為3.30m×2.40m（寬×高）。

泄0+017.00～泄0+362.00（導(dǎo)0+103.00～導(dǎo)0+448.00）為泄洪洞洞身段，斷面型式為城門洞型，與導(dǎo)流洞凈斷面一致3.50m×4.50m（寬×高），泄0+017.00～泄0+087.00的底坡為1.30%，泄0+087.00～泄0+150.31底面為y=0.013x+x2/260的拋物線，泄0+150.31～泄0+163.88底坡為1:2，泄0+163.88～泄0+181.00底面為半徑為18.75m的反弧連接段，泄0+181.00～泄0+362.00底坡為1.30%，洞出口底板高程為890.90m。

出口消能段長(zhǎng)16m，挑流鼻坎頂高程為892.60m，挑角為25.50°,反弧半徑18m，矩形斷面底寬由3.50m以兩邊各6°的擴(kuò)散角漸變?yōu)?.86m。

2 水力學(xué)計(jì)算

2.1 泄洪洞泄流能力計(jì)算

按進(jìn)口為有壓短洞的無壓泄流公式計(jì)算:

式中:μ—流量系數(shù)，工作門前的壓坡為1:5，取0.88；H—閘孔底板高程算起的上游庫水深，底板高程922m，校核水位962.63m，H=40.63m；設(shè)計(jì)水位時(shí)，H=39.59m;ε—工作閘門垂直收縮系數(shù)，對(duì)于進(jìn)口有壓短洞，取0.914；e、B—閘門開啟高度、水流收縮斷面處的底寬，B=3.30m，閘門全開時(shí)，e=2.40m；g—重力加速度。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)水位961.59m時(shí)，泄洪排沙洞泄流能力為188.80m3/s，校核洪水位962.63m時(shí)，泄洪排沙洞泄流能力為191.43m3/s。

2.2 水面線計(jì)算

2.2.1 起始水深計(jì)算

收縮水深hc的公式:

式中:E0—泄水建筑物上游總水頭；q—收縮斷面的單寬流量；φ—流速系數(shù)，對(duì)于進(jìn)口有壓短洞，取0.96；g—重力加速度。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)水位961.59m，閘孔全開開度e=2.40m，泄洪洞泄量為188.80m3/s時(shí)，收縮水深為2.19m；校核洪水位962.63m，閘孔全開開度e=2.40m，泄洪洞泄量為191.43m3/s時(shí)，收縮水深為2.19m。

平底閘孔出流收縮斷面的計(jì)算公式:hc=εe

式中:ε—工作閘門垂直收縮系數(shù)，對(duì)于進(jìn)口有壓短洞，取0.91；e—閘門開啟高度，閘門全開時(shí)，e=2.40m；

計(jì)算得，收縮水深為2.19m，兩種方法計(jì)算結(jié)果相同。

2.2.2 水面線計(jì)算

采用分段求和法，逐段試算，計(jì)算公式:

式中:ΔL—計(jì)算流段長(zhǎng)度，m；Esd—ΔS流段的下游斷面的斷面比能，m；Esu—ΔS流段的上游斷面的斷面比能，m；J—流段的平均水力坡度；i—泄槽段縱坡。

水面線計(jì)算結(jié)果表明:泄0+010.50～泄0+017即塔架工作門后至洞前，水面線上升；泄0+017～泄0+087（底坡為1.30%），水面線上升；泄0+087～泄0+163.88即y=0.013x+x2/260拋物線段和底坡1:2段，水面線下降；泄0+163.88～泄0+181即R=18.75m的反弧段，水面線先降后升；泄0+181～泄0+362（底坡為1.30%），水面線上升；泄0+362～泄0+378即出口消能段，水面線下降。

2.3 泄洪洞摻氣水深計(jì)算

式中:ha—摻氣后水深；h、v、R—未摻氣水流的水深、流速、水力半徑；△—表面的絕對(duì)粗糙度，對(duì)糙率為n=1.40×10-2的混凝土，△取2.00×10-3m。

經(jīng)計(jì)算，最大摻氣水深為3.15m，摻氣水面以上的凈空面積為3.45m2，占洞身面積的23.40%，滿足規(guī)范要求的>15%的要求。

2.4 挑流計(jì)算

消能段長(zhǎng)16m，挑流鼻坎頂高程為892.60m，挑角為25.50°,反弧半徑18m，寬度由3.50m以兩邊各6°的擴(kuò)散角漸變?yōu)?.86m。

挑流射程及沖刷計(jì)算公式如下:

式中:L—自挑流鼻坎末端起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；v—鼻坎坎頂水面流速，m/s，可按鼻坎處平均流速的1.1倍計(jì)算；θ—挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，°；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎頂至下游河床高程差，m;T—自下游水面至坑底最大水墊深度，m；q—鼻坎末端斷面單寬流量，m3/（s.m）;z—上、下游水位差，m；k—綜合沖刷系數(shù)，取 1.30；g—重力加速度，9.81m/s2。

根據(jù)規(guī)范，消能建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水，按挑距和沖坑計(jì)算公式，30年一遇洪水泄洪時(shí)挑距29.52m，沖坑深度18.94m，沖刷坑上游坡度為1:1.56，根據(jù)規(guī)范要求和工程地質(zhì)情況，限定沖刷坡度ik為1:30，計(jì)算結(jié)果不滿足要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)將挑坎下游齒墻深入下游河床7.50m，30年一遇洪水工況下沖刷坡度為1:3.27，滿足規(guī)范規(guī)定的沖坑要求，保證泄洪時(shí)不影響泄洪洞的安全。

3 泄洪洞泄洪時(shí)對(duì)溢洪道出口的影響

泄洪洞軸線與溢洪道軸線在出口處相距約42m，泄洪洞挑流消能位于溢洪道泄槽末端上游約35m處，應(yīng)考慮泄洪洞泄洪時(shí)對(duì)溢洪道的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，此處坡沖積碎石土的覆蓋層約7m厚，其下為弱風(fēng)化玄武巖，按地質(zhì)情況碎石土的邊坡建議值為1:1.20，弱風(fēng)化玄武巖的邊坡建議值為1:0.50，從安全性考慮，泄洪洞出口與溢洪道泄槽段之間的邊坡值取1.20。

從圖1中可以看出，泄洪洞出口安全坡與溢洪道邊還有22.26m的距離，所以可以得知泄洪洞泄洪時(shí)對(duì)溢洪道的安全性沒有影響。

4 結(jié)語

結(jié)合科克塔斯水庫工程，對(duì)有壓短洞無壓泄流隧洞的水力學(xué)計(jì)算進(jìn)行了全面分析，得出以下結(jié)論，供相關(guān)工程借鑒:進(jìn)水塔架工作門后的收縮水深可以用簡(jiǎn)化的平底閘孔出流收縮斷面水深的公式進(jìn)行計(jì)算；進(jìn)行洞身段不同底坡水面線計(jì)算的同時(shí)，還得考慮洞身凈空是否滿足要求，以保證整個(gè)洞身段是無壓泄流；隧洞出口消能段計(jì)算時(shí)，不僅要滿足隧洞出口沖刷要求，還要兼顧出口水流對(duì)其他建筑物的影響。

[1]李煒，等.水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.