甘肅省張家川富川水源工程水庫泄洪洞水力設計及優化

楊華娟

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000）

1 概況

富川水源工程位于甘肅省天水市張家川回族自治縣恭門鎮境內的牛頭河一級支流樊河上游，是為解決農村安全人飲供水而興建的水源工程，水庫總庫容498.00萬m3，屬Ⅳ等小（1）型工程。工程主要由砼面板堆石壩及溢洪道、泄洪洞等主要建筑物組成，最大壩高71.0 m。本樞紐工程防洪標準設計洪水頻率為30年一遇，洪峰流量為76.8 m3/s，設計洪水位1944.7 m；校核洪水頻率為300年一遇，洪峰流量為199 m3/s，校核洪水位1945.8 m；消能防沖建筑物洪水標準按20年一遇洪水設計,洪峰流量為63.4 m3/s。泄洪洞為本工程的主要泄洪建筑物。

2 泄洪洞水力設計

2.1 泄洪方式

本工程泄洪系統布置采用表孔和深孔聯合泄洪的方式,表孔泄洪方式主要布置了左岸開敞式溢洪道,深孔泄洪主要布置于右岸導流泄洪沖沙洞。左岸溢洪道堰頂高于設計洪水位，設計洪水位下不參與泄洪,校核洪水位下溢流堰參與泄洪流量25.8 m3/s，堰頂單寬流量2.15 m3/s，因其泄流量小，溢洪道的功能主要作非常溢洪道使用。泄洪洞運行在校核洪水下為全開狀態，其它均為局部開啟。在此重點論述泄洪洞的水力設計。

2.2 泄洪洞水力設計

泄洪沖沙洞置于右岸山體中，由進口段、閘室段、洞身段、出口工作閘室段及挑流消能段等組成。泄洪洞為有壓洞，進口段及閘室段為2.9 m×2.9 m的矩形斷面，洞身段為洞徑2.9 m的圓形斷面，長度217.2 m，底坡1/29，出口閘室段為2.7 m×2.7 m的矩形斷面，洞出口設挑流鼻坎段，長6.5 m，反弧半徑25 m，挑射角14°。整體布置進口高程1904.5 m，出口高程1882.7 m，進出口落差21.8 m。

泄洪洞洞前流態判別及計算參照《水力計算手冊》[1]中關于隧洞水力計算相關公式，首先根據隧洞洞前水深進行流態判別，對于陡坡隧洞，可根據以下公式進行判別：

H/a＜1.2 無壓流

1.5 ＞H/a＞1.2 半有壓流

H/a＞1.5 有壓流

式中：H為以隧洞進口底板高程起算的洞前水深，m；a為洞高，m。

本工程洞高2.9 m，即當洞前水深H＜3.48 m時隧洞為無壓流，無壓流按照堰流公式計算；洞前水深3.48 m＜H＜4.35 m時為半有壓流，當洞前水深H＞4.35 m時隧洞為有壓流，半有壓流和有壓流均可采用以下公式計算其泄流能力：

式中：μ為流量系，經計算為0.548；ω為隧洞出口斷面面積，7.29 m2；T0為上游水面與隧洞出口底板高程的差，m；hp為隧洞出口斷面水流的平均單位勢能，m。

根據以上公式計算,泄洪隧洞出口閘孔全開時，校核洪水位1945.8m時，洞進口最大水頭63.1m，最大泄流量為132.65m3/s，其水力計算流量系數為0.529 m3/s，洞出口斷面壓坡線水頭為38.7 m。

2.3 泄洪洞出口消能設計

泄洪洞出口流速20 m/s,挑流鼻坎單寬流量48 m3/s，設計選用了挑流消能。在設計時，先設置了擴散段使水流先行擴散，以減少單寬流量，為了避免擴散時引起空蝕，對擴散角經過計算認為當不大于6.8°時，可滿足要求。設計選用3.434°，擴散段長6.5 m，始末寬度為2.70 m和3.48 m。在校核洪水位工況下，采用《溢洪道設計規范規范》[2]中附錄A.4公式進行計算結果，挑流鼻坎反弧半徑25 m，挑角14°，最大挑距41.15 m，最大沖刷坑深度13.93 m。

3 水工模型試驗

由于本工程泄洪洞泄洪能力對水庫的特征水位有重要影響，進而會影響水工建筑物的規模確定，同時泄洪洞下游地形條件復雜，設計對經驗公式計算的挑流參數難以準確計算，因此需要根據模型試驗進一步確定計算參數。水工模型試驗委托西北農林科技大學進行，模型按照重力相似準則設計、制作，根據試驗要求模型長度比尺Lr=40，流量比尺Qr=Lr5/2=10119.3，流速比尺Vr=Lr1/2=6.325，時間比尺Tr=Lr1/2=6.325，糙率比尺nr=Lr1/6=1.849。通過試驗確定以下事項：①研究泄洪洞在各種工況和開度下的過流能力，率定流量系數；②研究泄洪洞在各種泄流工況下的挑距、沖坑形態，下游河床流速分布及沖刷情況，以確定合理的出口消能形式。

3.1 原設計方案試驗結論及存在問題

（1）泄洪洞泄流

試驗首先根據原設計方案制作水工模型進行試驗，校核洪水位1945.80 m弧門全開時，下泄流量試驗率定結果為150 m3/s,率定流量系數為0.597,較理論計算結果大。設計及其以下洪水，泄洪洞為局開情況，隧洞洞身為全壓力狀態，壓力為大的正壓；校核洪水位時閘門全開，泄洪洞閘室段出口頂部局部出現小負壓。

（2）下游消能防沖問題

試驗對原方案校核洪水情況下游消能情況進行了測試，泄洪洞原設計挑流鼻坎體型向兩側對稱擴散，而出口下游兩岸開挖情況完全不同。右岸布置有上壩公路和取水管道，其開挖受到限制。同時由于泄洪水頭較高，出口水舌平均流速約為20 m/s，右側水舌沖砸于右岸開挖岸坡上，未能反映下游沖刷的實際情況，對下游右岸岸坡穩定非常不利。挑流坎試驗和體型見圖1。

圖1 原設計水流挑流水舌形態及鼻坎設計圖

3.2 模型試驗對設計成果的優化

（1）泄洪洞泄流及負壓問題

原設計主要是考慮出口斷面面積對泄流能力影響較大，因此采用了（2.7 m×2.7 m）矩形閘室出口斷面面積。其頂板和底板及左右墻較隧洞洞徑有所減小，但出口在實驗過程中出現了負壓，分析認為泄洪洞洞身D=2.9 m，面積6.6 m2；圓變方后閘室過水斷面（2.7 m×2.7 m）面積為7.29 m2，雖相比洞徑有所減小，但出口閘室段斷面面積增大了10%，導致隧洞出口出現了負壓。為提高壓坡段壓強，使各運行工況洞出口頂部分均保持正壓，合理的形式應不僅保證隧洞出口處斷面尺寸為漸縮式，同時應保證出口段包括閘室在內的斷面面積也應為漸縮式。因此實驗建議對泄洪洞出口工作閘室段體型進行修改：壓坡段水平長度及孔口寬度不變，孔口高度壓縮為2.4 m，即孔口尺寸調整為2.7 m×2.4 m。

試驗對泄洪洞的泄流能力重新進行了率定，在校核洪水位1945.80 m，泄洪洞弧門全開時，下泄流量試驗率定結果為139 m3/s，對應流量系數為0.622。優化修改縮小了閘室出口斷面面積，但由于實驗較計算流量系數大，因此仍能滿足原設計對下泄能力的要求，因此修改是合理的。

表1 修改后泄洪能力試驗率定結果與原設計方案比較

（2）對泄洪洞出口挑流坎型式的修改

原設計泄洪洞出口水舌沖砸于岸坡坡腳，未能反應水舌真實形態，泄洪洞出口水舌集中，主流入水后俯沖下潛后水流頂沖回淘對岸，左側形成大的回流圈，對河床進行淘刷。優化修改根據下游地形因勢利導，利用邊導墻對水流方向進行調整，主要對鼻坎左右邊墻及底板進行體型調整，通過不斷實驗修改，最終挑坎體型為，平底板型式，起始斷面為矩形，左右邊墻均為圓弧，右側角加圓弧扭面，出口斷面加貼角，斜度1∶0.85，右側墻高4 m，左側墻高2.5 m。

體型修改后，校核洪水1945.80 m時泄洪洞出口水舌橫向擴散充分，相對均勻，主流最大挑距為50.9 m，正常蓄水位1944.7 m時遇設計3.33%、5%及10%洪水情況泄洪洞出口水舌形態最大挑距分別為76.5 m、78.1 m和81.4 m。隨著泄量的減少，挑距越來越遠。試驗發現，優化體型設計洪水及其以上頻率洪水擴散消能效果好，10%及其以下洪水小開度運行時水舌形態較好，缺點是落水點距對岸坡腳近。對此，僅需在工程建成后根據實際沖刷情況對岸坡及坡腳進行防護處理。優化后體型和試驗見圖2。

圖2 優化后水流挑流水舌形態及鼻坎設計圖

4 結語

本次泄洪洞設計為了保證泄洪洞的泄流能力，對出口閘室段斷面面積未進行縮減，引起洞出口處出現負壓，通過模型實驗發現隧洞泄洪能力較理論計算具有一定的超泄能力，據此對洞出口控制閘室斷面面積進行了縮減，在滿足隧洞泄流能力要求的前提下，解決了洞出口負壓問題，因此在設計時洞出口采用漸縮斷面，則在閘室控制段仍應滿足斷面面積漸縮的要求。

泄洪洞出口挑流鼻坎，下游地形對挑流消能形成條件具有重大影響，進行挑流鼻坎設計時其體型應因勢利導，不拘泥于傳統型式，可充分利用邊墻對水流的束縛和導向作用，使水舌避開不利條件，減少對下游岸坡的沖刷破壞，達到工程經濟可靠的目的。