泄水建筑物工程設計中需要注意的事項

馮 俊

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002）

泄水建筑物工程設計中需要注意的事項

馮 俊

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002）

泄水建筑物工程是水利水電工程的重要組成部分，對于整個工程的功能發揮有著重要的影響。為了提高工程的最終質量，減少返工現象，在泄水建筑設計階段就需要認真考量其方案以及相關的體型設計和數據計算。文章結合某水利工程實例對泄水建筑物設計中需要考慮的問題進行分析和探討，希望對相關工作者有所幫助。

泄水建筑物；工程設計；隧洞；水力計算

0 前 言

泄水建筑物工程設計是一個系統的工作，需要對工程部位以及相關計算等進行認真的分析和確認，進而設計出科學合理的施工方案［1］。

為了提高泄水建筑物工程設計的質量，應該對設計方案以及相關的計算問題進行認真仔細的考量。

1 工程實例

某水利樞紐是防洪、發電等綜合利用的水利工程，由土石壩、泄洪隧洞、沖沙放空洞等建筑物組成。

根據下游防洪要求，設計洪水時最大下泄流量限制為900m3／s，本次經調洪計算100a一遇設計洪水時，下泄洪峰流量為672.6m3／s。原100a一遇設計洪峰流量為1680m3／s，水庫消減洪峰流量1007.4m3／s；其發電站裝機為3×8000kW，共2.4×104kW。

建成水庫增加保灌面積0.67萬hm2，正常蓄水位時，水庫面積為17.70km2，為發展養殖創造了有利條件。

2 泄水方案選擇

該水利樞紐河谷地帶相對較窄，山脊比較高，山坡比較陡峭，適合采用隧洞泄洪方案隧洞，并且隧洞布置在右岸。考慮到隧洞造價較高且施工困難，采用“龍抬頭”無壓泄流的形式與施工導流洞結合的型式。

3 泄水隧洞選線與布置

隧洞進口和出口剖面上和平面上的定位和選線問題很重要。綜合考慮地形、地質、水力學、施工等因素，擬定不同方案進行技術比較選定。

該工程中樞紐布置于河彎地段，左岸山坡陡于右岸，且若布置隧洞則其出口處偏離主河道太遠，所以隧洞應該布置于右岸。

從地質來看，該山梁除了表面有一層較深的風化巖外，下面大部分為堅硬玄武巖，強度較高，巖體中夾雜幾條破碎帶，但走向大多數與隧洞軸線成較大角度，將泄洪隧洞、及引水發電隧洞布置于右岸凸出的山梁中［2－3］。

4 隧洞的體型設計

隧洞的體型設計包括以下3項內容：進口建筑物、洞身斷面型式與尺寸和出口消能段。

4.1 進口建筑物

該工程采用表孔堰頂泄流的泄水形式，進水口為開敞式，在進口的地方設置操作平臺，堰頂設閘門用于控制泄流。

4.1.1 進口堰面曲線（以堰頂為坐標原點）

采用WES型堰面曲線，壩面鉛直，方程為：

式中：Hd為定型設計水頭，按堰頂最大作用水頭Hmax的75%～95%計算；K，n為與上游面有關的系數和指數，當壩面鉛直時，K＝2.0，n＝1，850。

Hd＝（2822.85－2810）×75% ～95% ＝9.45～11.97取Hd＝10.24m

x1.85＝2.0Hd0.85y＝2.0×11.450.85y

即：x1.85＝15.89y

堰頂上游段采用橢圓曲線，其方程為：

堰頂下部與一傾斜直線相連接，再用圓弧與下游隧洞連接，以便水流平順地進入。

4.1.2 閘門型式與尺寸

式中：a為0.28～0.3，取 a＝0.28；aHd＝2.867；a／b＝0.87＋3a＝0.87＋0.84＝1.71；b＝0.16；bHd＝1.68。上游段橢圓曲線方程為：

檢修閘門和工作閘門都要設置平板門，設在進口的地方。閘門寬7m，高15m（由正常水位減堰頂高程加浪高而得：2820.50－2810＋4.3＝14.8m，取15m）。

4.2 洞身斷面型式和尺寸

該工程隧洞為無壓泄流隧洞，采用城門洞型斷面，便于開挖和襯砌，水面線以下可獲得較大的矩形過水斷面。

調洪演算時已經擬訂溢流孔口尺寸為7m×17m（為保證無壓泄流，由校核洪水位減延頂高程加相應浪高而得：2824.03－2810＋2.76＝16.79m，取17m）。

由于水位經堰頂后馬上跌落，所擬洞寬不變，而高度則以斜段為1∶1坡按cos45°折減，則洞身尺寸為7m×12.1m，具體通過水面曲線計算以后確定。

進口以后與斜洞連接，根據以往經驗以1∶1坡度連接，反弧段以60.0m半徑圓弧相連接。

4.3 出口消能段

隧洞出口的高程較高，為2750.0m，不過由于下游出口距離大壩和電站比較遠，因此沖刷坑不會影響電站和大壩的正常運行。

由于隧洞出口寬度小，單寬流量大，所以在出口處設置擴散段。

鼻坎的型式與參數：設計采用平順連續式挑流鼻坎。鼻坎高程應高出下游最高水位1～2m，以利于挑流水舌下緣的摻氣。

校核水位時下游最高水位2754.94，高程定為2756m。轉向不夠平順，使挑距較小；過大時，又使鼻坎下游延伸太長，增加工程量。

根據我國的工程實踐和試驗研究，采用挑射角＝30°，此出口為平段，為了水流能平順挑出采用了較大的反弧半徑R＝70.0m。

5 隧洞水力計算

設計中要求隧洞為無壓泄流，為保證洞內穩定的明流狀態，不出現忽而無壓流、忽而有壓流的明滿流過渡流態，需進行水力計算［4－5］。

先確定平洞段底坡，然后進行水面線計算，高流速洞還應考慮摻氣影響，摻氣水面以上要有足夠的凈空。

出口段應計算挑距L及沖刷坑深度tk，根據這兩個參數來判斷其對工程的影響。

5.1 設計條件

該工程運行中，設計水位：Q設＝2822.74m，設計泄洪流量：Q設＝634.67m3／s

校核水位：校＝2824.03m，校核泄洪流量：Q校＝732.33m3／s

堰頂高程：∩＝2810.0m，堰高P＝10.0m。

下泄校核洪水時應滿足各項要求，因此對校核情況進行水力計算。

5.2 平洞段底坡

假定過水斷面為城門洞型下部的矩形斷面，矩形斷面的水面寬與底寬相等，則臨界水深計算公式為：

過水斷面面積：Ac＝hc×B＝73.8m2。

濕周：x＝B＋2hc＝28.0834m。

計算得到的臨界坡降iC＝0.00459，由于泄流時水流流速較大，為不影響隧洞的泄流能力，隧洞應做成陡坡。

鑒于坡度太大施工不方便，底坡取i＝0.005。

5.3 隧洞水面曲線的計算：

P＝68.03m；q＝104.62m3／s；φ＝0.92484；E＝82.06m。

經試算得收縮斷面水深hc＝2.759m。以收縮斷面為起始位置，依次向下游計算平洞段水面曲線；已知隧洞底坡i＝0.005；洞寬B＝7m；起始斷面水深hc＝2.759m；糙率n＝0.013；斷面流速不均勻系數α＝1.05。以收縮斷面為起始位置，計算公式為：

假定一定的水深，計算兩端面之間的距離，直到斷面間累計距離達到隧洞長度。具體計算過程見表1。

表1 水面曲線計算

由以上計算可得洞內水面線見表2。

表2 平洞段水面曲線

由于隧洞泄流時流速較大，yi必須考慮高速水流摻氣的影響。摻氣后的水深按以下公式計算：

式中：v、R為不計摻氣時斷面的平均流速和水力半徑；H為考慮摻氣后的水深；k為摻氣系數取0.006。考慮摻氣影響后，經計算（表2中最后兩列）平洞段內曲面線見表3。

表3 平洞段水面曲線（摻氣后）

為保證洞內為明流，水面線以上應留有一定的凈孔，按規范要求高流速泄洪隧洞摻氣水面以上的凈空為洞身面積的15%～25%。

25%的凈空是21.17m2，現有47.74m2，因此洞身斷面滿足要求。

由于還有許多因素沒顧及，加上還要考慮與導流洞結合，留有一定的富余是必要的。

5.4 出口消能計算

出口消能計算包括：擴散角、挑距計算、沖坑深度計算和安全挑距。

5.4.1 擴散角

為減小單寬流量，減輕下游沖刷，利于消能，隧洞出口采用擴散段布置。為防止高速水流脫離邊壁而發生空蝕，擴散角不宜過大。設計中采用的控制公式為：

為擴散段起始斷面處流速和水深；K為經驗系數，可取1.5～3.0，本設計取2.5。最終確定擴散角θ＝5°。

5.4.2 挑距計算

計算示意圖見圖1。

圖1 挑距計算示意圖

挑距計算：

鼻坎頂平速：ν均＝

5.4.3 沖坑深度計算

沖坑深度計算公式為：

式中：k為沖坑深度系數取1.2；q為單寬流量；Z為上下游水位差；t為下游水深。

經計算，ts＝12.89m。

5.4.4 安全挑距

L／tS＝35.92／12.89＝2.79＞2.5滿足設計要求。

6 結 語

泄洪建筑物對于水利水電工程功能的發揮是至關重要的，只有對實際的工程地形以及相關的數據進行系統地分析，才能夠設計出最合理的方案。

此外，在泄洪建筑的設計過程中，一定要仔細核定計算結果，以減少錯誤，提高建筑物設計的準確性。

［1］劉躍，彭瑋.獅泉河水電站引水、泄水建筑物工程布置設計［J］.水力發電，2008，34（12）：81－83.

［2］王君.新疆水利樞紐工程泄水建筑物設計研究［J］.中國水運：下半月，2012，12（04）：159－160.

［3］苗青，王曉輝，劉順萍，周陳超.黃河龍口水利樞紐工程泄水建筑物設計［J］.水利水電工程設計，2011，30（02）：26－28.

［4］婁曉波，余揚，王曉慧.航電工程泄水建筑物設計與研究［J］.黑龍江水利科技，2012，40（10）：26－28.

［5］郭西方，顧小兵，陳能玉，李婭.巴基斯坦汗華水電站工程泄水建筑物設計［J］.水利水電工程設計，2010，29（03）：25－27.

Some Points Needing to Pay Attentionin Discharge Structure Engineering Design

FENG Jun
（Guizhou Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550002，China）

discharge structure is an important part of hydraulic and hydropower project and has a vital iMPact on the function of the whole project. In order to heighten the final engineering quality and reduce rework phenomenon，it is necessary to seriously consider schemes and related type design and data.Combining with real example of discharge structure in a hydraulic engineering，some points needing to pay attention are analyzed and discussed，hopefully providing help for relevant designers.

discharge structure；engineering design；tunnel；hydaulic calculation

TV65

A

1007－7596（2014）08－0035－04

2014－02－27

馮俊（1965－），女，貴州貴陽人，高級工程師。