重力壩中泄水洞過流能力的計算分析

畢程敏，牛海勇，蘇 琴

重力壩中泄水洞過流能力的計算分析

畢程敏1，牛海勇1，蘇 琴2

(1.河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北石家莊050021；2.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇南京210022)

泄水洞在重力壩中最為常見，水力計算較為重要。本次分析以泄水洞有壓流為前提，通過計算最終得出泄流量與閘門開度及上游水位的關系，并采用數值方法進行擬合，通過成果比較得出結論，在一定程度上為水庫現場管理提供方便，并為類似工程提供一定參考和借鑒。

泄水洞；水頭；流量；數值方法；擬合

重力壩在現在水利工程中較為多見，基本形狀呈梯形，上游面前直或稍向上游傾斜，壩底與基巖固結，建成后依靠自身重量來維持穩定。重力壩按泄水條件，可分為溢流壩段、非溢流壩段(也稱為擋水壩段)、底孔壩段和電站引水壩段。泄水洞就是底孔壩段的一個組成部分，屬于重力壩壩身孔洞的一種，主要用以泄洪、排沙、放空水庫等以保證水工建筑物的安全。

泄水洞一般均位于水下，不僅能配合溢流壩泄洪、預泄庫水、增大水庫調洪能力，并且可以排泄泥沙、減少水庫淤積，以延長水庫壽命和保證其他建筑物正常運行。泄水洞按孔內水流流態可分為有壓洞和無壓洞，按其所處的高程可分為中孔洞和底孔洞，按布置層數可分為單層泄水洞和多層泄水洞。在實際工程中，發電洞多為有壓洞，其他用途的泄水洞可做成有壓的或無壓的，但應避免有壓和無壓交替出現。

泄水洞是水庫向下游宣泄洪水的主要通道之一，其所處的工作環境一般較為復雜，孔洞泄水時，水流流速高，容易產生負壓、空蝕和振動。因此，泄水洞過流能力計算較為重要，在庫水位調整及小洪水下泄中起到重要作用。本文以某工程的泄水洞為例，分析其不同情況下的過流能力。該工程是一座以供水為主，兼顧防洪、發電、旅游等綜合利用的中型水利樞紐工程。樞紐工程由大壩、泄水洞、輸水洞、發電洞和電站等建筑物組成。考慮水庫實際情況，泄水洞按有壓洞考慮，并采用數值分析方法對泄水洞過流能力計算成果進行擬合，通過成果對比得出結論，在一定程度上為工程管理提供方便，并為類似工程提供一定參考和借鑒。

1 計算方法

泄水洞水力計算主要依據文獻［1，2］中相關公式。根據文獻［1］附錄A.3.2孔口泄流公式計算泄水洞過流能力，局部損失和沿程損失系數采用文獻［2］中的相關損失系數，流量系數采用隧洞有壓流計算公式。

1.1 孔口泄流能力

計算公式為：

式中，Q—泄水洞流量，m3/s；A—泄水洞出口面積，m2；Hw—水頭，m，自由出流時為洞口中心線處的作用水頭；μ—孔口流量系數。

1.2 流量系數μ

計算公式為：

式中，ξi—第i部位局部損失系數；Ai—流速所在斷面面積，m2；Lj—泄水洞的長度，m；Aj—斷面面積，m2；Rj—水力半徑，m；Cj—謝才系數。

2 工程計算

泄水洞縱剖面如圖1所示。

本工程中泄水洞進口圓弧翼墻段長2.5m，總寬6.0m，進口閘室為鋼筋混凝土結構，長4.5m，凈寬2.0m，閘室下游側設有頂板及胸墻，厚均為0.5m，孔口尺寸2.0m×2.5m(寬×高)，閘底板高程25.95m。胸墻后矩形壓力洞為2.0m×2.0m(寬×高)，其后進口漸變段為方變圓混凝土結構，長2.4m，洞身采用內徑DN1800mm的鋼管，鋼管末端距出口閘室1.8m為出口漸變段，鋼筋混凝土圓變方結構，斷面為1.8m×1.8m。出口結合下游貼坡加固重建工作閘，整體式鋼筋混凝土結構，順水流方向長7.5m，凈寬1.8m，閘底板高程26.0m，弧形閘門開啟控制泄流量，最大開啟高度1.5m。

圖1 泄水洞縱斷面

2.1 參數選取

泄水洞局部損失：進口ζ為0.5，斷面積2m× 3m；門槽ζ為0.2，斷面積2.76m×2.5m；胸墻ζ為0.15，斷面積2m×2m；進口漸變段ζ為0.05，出口漸變段ζ為0.1，壓坡段ζ為0.5，斷面積π/4 ×1.82m2。

泄水洞沿程損失：洞長34.5m，直徑1.8m，糙率n為0.011，斷面積π/4×1.82m2。

2.2 水位資料

水庫最大水位為校核洪水位：59.70m，泄水洞下游無水，為自由出流。計算中假定水位每次降幅3m，閘門開度每次提升0.1m。為保證泄水洞內保持有壓流流態，上游水頭H應大于1.5倍洞高，即水頭H＞3.0m。

2.3 計算結果

根據式(1)和式(2)計算得知：水庫在校核洪水位59.70m時，泄水洞在不同開度下的流量見表1。

經計算可知，對于泄水洞而言，在同一水位下隨著開度的增大，過流面積增大，局部和沿程損失隨之增大，流量系數逐漸減小，因過流面積增大幅度大于流量系數減小幅度，故過流量逐漸增加。

表1 泄水洞在校核水位下不同開度時的泄流量成果

在庫水位從校核洪水位59.7m按3m梯級落差降至32.7m過程中，對不同水位下泄水洞過流能力分別計算，計算過程與表1基本相同。泄水洞在不同水位不同開度時泄流量計算成果見表2，泄水洞流量與開度、水位關系如圖2所示。

表2 泄水洞在不同水位不同開度時泄流量成果

圖2 泄水洞流量與開度、水位關系

2.4 最終成果

根據圖2中的流量(Q)與開度(e)、水頭(H)的關系曲線，采用數值分析方法對成果進行擬合，得到：

式中，Q—泄水洞流量，m3/s；e—閘門開度，即閘門開啟高度與最大開啟高度的比值；H—水頭，m。

式(3)的相關系數達到99.9%，擬合后泄水洞泄流量按公式(3)計算成果見表3。

在給定開度(e)和水頭(H)的條件下，可以根據擬合公式直接計算得到泄水洞過流量，減少了繁瑣的計算，提高了工作效率，在一定程度上為水庫管理帶來方便。

4 結論

針對實際工程重力壩設計中泄水洞過流計算的復雜性，對有壓泄水洞進行了水力計算，并且對計算結果按照數值分析方案進行了擬合簡化，為管理人員在水庫運行控制方面提供了方便，可為類似工程提供一定參考和借鑒。當然，計算結果有其局限性，其適用范圍為：泄水洞內水流流態為有壓流；水庫水頭H大于3.0m；泄水洞下有無水，為自由出流。

表3 泄水洞按擬合公式計算泄流量成果

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1672-2469(2017)03-0051-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.020

2017-01-17

畢程敏(1983年—)，男，工程師。