某水庫旋流泄洪隧洞設計探討

【摘要】旋流泄洪隧洞目前未形成完善的理論體系，文章以某水庫旋流泄洪隧洞通過半理論及模型試驗，利用旋轉水流的離心力形成空腔，增大洞壁壓力和水力摩阻，達到泄洪消能的目的。

【關鍵詞】水工結構；旋流泄洪隧洞；設計

1、工程概況

某水庫樞紐主體工程包括水庫大壩、壩頂溢洪道、放空管和電站，該水利樞紐工程大壩原設計為重力壩。水庫壩址以上集雨面積39.4km2，正常庫容979萬m3，總庫容1152萬m3，擬建大壩最大壩高為58.50m，泄水建筑物采用旋流泄洪隧洞，工程等別為Ⅲ等。

2、隧洞結構設計

2.1 渦室與引水道連接段

本工程采用水流條件較好、豎井段不易出現負壓、體形設計及施工相對簡單的橢圓收縮型連接形式。根據以往工程模型試驗的經驗：

橢圓曲線短半軸：b=（1.5～2.0）B；

橢圓曲線長半軸：

橢圓曲線與渦室圓弧切點（x，y）： ，

式中：Rw—渦室半徑，（Rw=1.2～1.4）R，（R為豎井半徑，其計算見后），B—引水道與渦室連接處寬度，4.5m，K—橢圓中心至渦室圓心距離，若計算值x>a，則取x=a，y=0，或重新設k值。該水庫基本遵循以上經驗公式計算成果，局部根據工程實際情況作細微調整，經計算及繪圖研究，a=12.0m，b=6.0m，x=12.0，y=0。

2.2 渦室及豎井直徑

豎井直徑設計根據前人研究經驗，按下式估算：

式中：k=Fr0.05，

引水道行進流佛氏數，（沙牌水電站k=1.0 ～ 1.25）；B，h—引水道寬度（4.5m）和水深（4.0m）；D—豎井直徑（m）；Q—最大設計流量（135m3/s）；g—重力加速度（9.8m/s2）。經計算，k=0.992，豎井直徑D=4.47m，本工程取D=4.50m。渦室半徑Rw=（1.2～1.4）R，（R為豎井半徑，R=2.25m），幾個工程試驗表明，當引水道與渦室采用橢圓曲線連接時，可使渦室直徑減小15%～20%，且在渦室內形成穩定的螺旋流流態，本工程取Rw=3.0m，即渦室直徑Dw=6.0m。

2.3 渦室與豎井連接漸變段

渦室與豎井連接段的高度對漸變段后豎井周壁壓力影響較大，理論上漸變段越高，漸變段后豎井周壁的最小壓力越大。對矩形或梯形水平明渠，漸變段的長度常用下面經驗公式計算；Lr=η（Bmax-Bmin）式中：Lr—漸變段長度；Bmax——漸變段進口及出口斷面中較大的一個水面寬度；Bmin——漸變段進口及出口斷面中較小的一個水面寬度；η—系數，對進口收縮漸變段，η=1.5～2.5；對于出口收縮漸變段η=2.5～3.0；由于豎井旋流室出流方向為垂直降落，其流速較高，相應的漸變段長度應較流速較低的水平明渠長，豎井旋流泄洪洞水工模型試驗取η=5.0～6.0較適宜，若η<4.0，則漸變段后豎井周壁易出現負壓，反之，η>6.0，則漸變段后豎井周壁的最小壓力越大。本工程結合以上公式及類似工程模型試驗值，取Lr=5.0m。

2.4 渦室頂部通氣孔設計

因該水庫引水道及渦室頂部為明挖襯砌結構，所以勿需進行通氣孔設計。

2.5 豎井段邊壁壓力

豎井內最大壓力發生在井底周邊處。最大壓力主要由井內水深、水流沖擊力和離心力合成。沿井深的壓力不再遵循靜壓分布規律。由于井底的離心力基本消失，故井底最大壓力可近似按凈水壓力加沖擊壓力計算：

式中：Q—最大設計流量（135m3/s）；γ—水的容重；A—消力井的斷面面積（m2）；Hj—豎井底板以上最大淹沒深度（28.5m，計算見后），經計算，豎井井底周邊最大壓力Pmax=41.86t。

2.6 豎井與退水洞連接段水力設計

本工程采用簡單式連接方式，即豎井與退水洞直接連接，并為防止水流直接沖擊豎井底板，井底應低于退水洞洞底，保持一定的水墊層，退水洞進口頂部采用壓板將斷面縮小，必要時在壓板末端設置通氣孔，使下游維持穩定的明流流態。退水洞孔口尺寸確定：通過建立庫區與退水洞孔口末端兩斷面之間的能量方程，經整理得出退水洞孔口尺寸與退水流量的關系式：

式中：η—退水洞孔口末端斷面以上消能率，η=0.8～0.85；H0—庫水位與退水洞孔口末端斷面底板之間的高程差（49.71m）；e1—退水洞孔口高度（m）；b1—退水洞孔口寬度（4.5m）；本工程最大設計下泄流量Q=135 m3/s，經退水洞孔口高度e1反算，當滿足水庫最大下泄流量時孔口高度e1=3.5m。

建立豎井水面斷面與退水洞孔口末端斷面之間的能量方程，經整理得出公式：

式中：Hs—豎井水面與退水洞孔口末端斷面之間的高差（m），即淹沒深度； η1—豎井水面與退水洞孔口末端斷面之間的消能率，約0.4～0.6；e1—退水洞孔口高度（3.5m）；b1—退水洞孔口寬度（4.5m）；D—豎井直徑（4.5m）； Q—設計流量（m3/s）；H0—庫水位與退水洞孔口末端斷面底板之間的高程差（49.71m）。

經計算，豎井內最大淹沒深度Hs=28.50m；最小淹沒深度因下泄流量為自由溢流不易確定，待模型試驗調整確定。

豎井泄洪洞的效能率確定：豎井旋流泄洪洞中水流的效能率定義為：

式中：z—庫水位與測速斷面處底板高程之差；H、v—斷面水深（m）流速（m/s）；

經計算，豎井泄洪洞內消能率η=0.85，該成果與以上退水洞孔口尺寸確定計算中η值相符，進一步驗證了退水洞孔口尺寸的可靠性。

3、結論

本設計重在總結前人的基礎上，參閱了大量類似工程論文及設計資料、觀摩類似工程模型試驗成果，在半理論半經驗設計過程中完成，因該方案具有消能效果好、結構布置靈活、抗空化能力強、工程造價低等優點。