導流隧洞變為泄洪隧洞的消能方案研究

2016-04-21 07:10:10黃繼寬奎屯農七師勘測設計研究院有限公司

河南水利與南水北調 2016年2期

□黃繼寬(奎屯農七師勘測設計研究院(有限公司))

導流隧洞變為泄洪隧洞的消能方案研究

□黃繼寬(奎屯農七師勘測設計研究院(有限公司))

摘要：將導流洞改變成泄洪隧洞的過程中，國內外都積極的應用了消能策略。因為導流洞水頭大、流速高、出口低，不但容易導致空蝕破壞，還會導致洞內腐蝕，同時，下游水和出口還很難有效的銜接到一起。對此，國內外相關行業及人事都開始投入更多的精力研究消能方案，在改善傳統方案的不足之處時發揮著重要的作用。因此，為了能夠更加扎實的掌握該項技術，文章通過下文對相關方面的內容進行了探究，從而為有關研究人員在實際工作中提供一定的幫助作用。

關鍵詞：導流隧洞；變為；泄洪隧洞；消能方案

0　前言

將大型水利樞紐修建在大江大河的狹窄河谷上，經常對隧洞導流的方式進行使用。因為大河、大江河流量大，因此，對導流洞的規模上也提出了更高的要求，并且，施工投入較大，所以具備相應的技術難題，此項工程還很難順利的完成。因此，用泄洪隧洞取代導流隧洞是一個非常可靠的選擇。然而，在工程運行中，離不開消能方案的支撐，是完成轉換的關鍵所在，所以需要引起相關部門及工作人員的重視。

1　工程案例分析

導流洞進水口為有壓短管進口，其后銜接無壓隧洞，隧洞總長690.60 m（平面樁號690.00 m），由閘井段、洞身段（漸變段、直線段、平面轉彎段、結合段）、出口暗渠段、消能段、海漫段及出口防沖段組成。

導流洞前段洞身襯砌均采用C25鋼筋混凝土，底板厚度40 cm,側壁厚度40 cm。采用側壁C30鋼筋混凝土作為結合段洞身襯砌均，50 cm厚度；20 cm厚C70硅粉混凝土抗磨層作為底板表面襯砌，30 cm厚C30鋼筋混凝土構成下部結構，回填灌漿洞身頂拱，并按照巖石節理裂隙情況，固結灌漿圍巖。在洞頂120°范圍內，梅花型布置回填灌漿，灌漿孔孔深65 cm，孔徑5 cm，深入圍巖5 cm，M30為水泥砂漿灌漿材料，分兩步進行，灌漿壓力0.50 MPa，每排3個孔，孔距3 m。

2　分析轉變過程中的消能方案

2.1隧洞洞外效能措施

將啟閉機室和工作閘門設置在有壓隧洞出口，閘門前有漸變段存在，消能設施一般被設置于出口之后。底流消能和挑流消能是泄洪隧洞出口處的兩種重要的消能方式。因為隧洞出口寬度有限，流量的單寬也較大，集中了很多能量，這樣常把擴散段設置在隧洞的出口位置，目的是為了將單寬的流量降低。

在隧洞出口高程接近或者高于地下水位時，而且地質條件比較適宜時，對擴散式挑流消能方式進行應用是最為合理的，這種消能方式在國內外都普遍的得到了應用及推廣。當河道和隧洞軸線的交角度較小時，可以對斜切挑流鼻坎方式進行使用，這樣就能夠向著河床中實現偏向挑流，降低對對岸的沖刷。文章以新疆省某水利工程為例，本工程出口消能采用底流式有砍消力池，樁號0+655.50～0+695.50段為拋物線擴散段，底寬由3.00 m漸變到10.00 m，拋物線方程為Y＝0.063X2，拋物線末端接消力池底板；樁號0+695.50～0+760.50段為消力池段，池底高程為1040.00 m，池頂高程為1050.50 m，池長65 m，池寬10 m，池深12.50 m，消力坎高8.50 m。

當存在和下游水位接近的隧洞出口高程時，可以選擇平臺擴散水躍消能方式，有曲線擴散段、陡坡擴散段、消力池和水平擴散段一同構成了該消能段。水流在出口處離開之后，通過平臺以橫向的方式向四周擴散，在流經曲線位置完成擴散之后，向著消力池中進入。因為不斷擴散的水流，有著較小的單寬流量，這樣消力池所需要的長度和深度就會被相應的減少。底流式的消能方式比較可靠、充分，不會過于嚴重的影響到下游水面的波動。然而，這種消能方通常具備較大的開挖量，施工時間長，材料需要的量多，造價比較高。

現階段，我們國家還經常對逆波動式消力池進行使用。有一段不大的靜水池存在于這種消能結構中，將調流鼻坎設置在了池的末端。在設計流量大于宣泄的流量時，就會有底流水躍在下游中形成。當在設計數值以上存在著流量時，這樣就會將水池中的水體被水流推出來，生成挑流。所以，可以確保小流量的情況下在池中也能夠完成消能，防止挑射不遠或者不能夠挑射而對鼻坎末端的地基帶來沖刷影響。當選擇這種布置方式時，需要進行水工模型試驗，以保證在合理的流量下，挑射出水流。

2.2分析消能方式中可能遇到的困難

天然河道河谷的變幅較大，河道狹窄，為了將水利樞紐修建于該地段中，經常會應用導流隧洞的方式。但是，對于泄洞下游，一般消能方式的水流銜接，普通的高程是很難達到的。一旦設計的過程中以底流消能方式去做，由于有著較低的水位在下游，經常需要將較大的消力池挖掘出來，這樣就會過多的二次開挖基巖。一旦設計的過程中依據挑流的消能方式，這樣由于有過高的水位存在于下游位置，一般下游水面常常低于出口挑流鼻坎，而造成二次澆筑混凝土的混凝土量會比較大。不管是二次開挖基巖，還是二次澆筑混凝土，經常需要在工期吃緊的導流隧道封堵時候完工，所以，就會有一定的技術困難存在于其中，最后就會提升工程的施工成本，難以實現二者之間的相互轉換。

通過上述分析能夠發現，在將導流隧道變為泄洪隧洞的時候，還存在著一定的技術難題，下游河道水位變幅過大和常規泄洪消能方式之間的矛盾，長期以來都是制約二者轉換的一個難題。常規的底流和挑流消能區，一般在泄洪建筑物的外部進行設計，一旦可以找到某種正確的效能方式，將洪水的大部分能量在泄洪建筑物的內部就能夠實現消散，這樣使剩余量在泄洪建筑出口處就會被逐漸的降低。一些時候，為了實現泄洪的目的，將建筑物的出口少做甚至不做二期工程，這樣對于下游水流銜接的要求就能夠非常有效的給予滿足，這樣就能夠使二者之間順利的完成轉換，大大的改善了轉變中的經濟情況，為工程的順利發展奠定了基礎。

2.3分析內部消能方式

內部消能主要是憑借建筑物或者洞內消能的特別構造，迅速的改變水流的形式，這樣就會有漩渦等情況出現在水流的內部，將大量的機械能就會集中起來一同消耗掉，從而把一定的壓力降低，減緩水流的流速，實現對下游和洞身保護的目的。對消能工從水力學的角度入手進行分析主要表現為：渦旋式消能工、井內對沖水墊塘式消能工、混合交互式內消能工、突擴縮式消能工。

在應用內部泄流方式時，對于其中的力學公式，必須要扎實的進行掌握：

文章以某工程為例，其導流洞進水口為有壓短管，底板高程1083.00 m，b×h＝3.00 m×2.50 m為閘孔的尺寸，洞身為無壓隧洞，洞身斷面為城門洞型。滿足進口有壓流的最低水位為1087 m，其泄流能力按下式計算。

式中：μ—流量系數，計算取值0.88；H—弧門孔口底板以上水頭（m）；h—弧門孔口高度，取值2.50(m)；A—弧門孔口面積，計算取值3.00 m×2.50 m；ε—垂直收縮系數，取值9.14× 10-1。

計算洞身水面線

洞身段水面線按明渠恒定非均勻漸變流水面曲線計算，摻氣水深按下式計算：

式中：hb—計入波動及摻氣的水深(m)用hb表示;h—不計波動及摻氣的水深(m)，用h表示；不計波動及摻氣的計算斷面上的平均流速(m/s)，用V表示；修正系數，一般取1.00～1.40,本階段取1.40，用ξ表示。

3　結語

綜上所訴，在科技發展的推動下，世界各個國家都在嘗試將導流洞改為泄洪隧洞，并且，通過大量的實踐證明，這種轉換方式是最具經濟性的。然而，在以前的轉換過程中，卻經常的會遇到一些困難，究其原因，主要是將導流洞改為泄洪隧洞的過程中，它的消能方面經常的存在一些困難，容易對工程帶來損耗，下游水和出口水銜接起來還比較難，種種原因導致該項工作推進比較困難。因此，為了能夠有效的推動我國水利工程系統建設不斷的向著高速、穩定的方向發展，文章通過上文就為導流動改為泄洪隧洞的消能方式等方面的內容進行了分析與闡述，從而為有關單位及工作人員在實際工作中提供一定的理論支撐。

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（責任編輯：趙鑫）