二甲溝有壓灌溉洞設計簡述

胥 慧，王 新

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省三江工程建設項目服務中心，哈爾濱 150010)

1 工程簡介

二甲溝水庫灌溉洞為有壓隧洞，布置在壩址右岸山體內，灌溉洞總長148.62m，進口和出口大部分處在全-強風化巖體內，洞身部分大部分處在弱風化巖體內，長度約106.88m。

灌溉洞主要任務以灌溉為主、兼顧釋放環境流量及施工期導流，主要由引渠、進水口、灌溉洞、消力池等幾部分組成。正常運行時灌溉流量及環境流量總計為18.88 m3/s，施工導流流量為44.38 m3/s，因此，灌溉洞規模由導流控制。二甲溝水庫正常蓄水位為148.30m，死水位為134.50m，最小灌溉水位為134.89m。灌溉洞布置示意圖見圖1。

圖1灌溉洞布置示意圖

2 隧洞設計

2.1 隧洞進出口高程及縱坡計算

隧洞中心線高程與進、出口水位、隧洞的用途、工作條件和地形地質條件，還與隧洞的路線和其橫斷面尺寸密切相關，經技術經濟比較確定。一般首先擬定隧洞的進出口高程，然后擬定洞線高程。對于有壓隧洞在不同種水位和流量數據計算隧洞全長的壓力坡線，滿足洞頂是都在最低壓力坡線以下至少2m。隧洞段的縱坡，考慮運行要求，沿線建筑物的基礎高程、上下游的銜接、施工和檢修條件等[1]。

有壓進水口應低于運行中可能出現的最低水位，要有一定的淹沒水深，以避免進水口前出現漏斗狀吸氣漩渦，在淹沒水深上，通常采用戈登公式計算淹沒水深Scr：

(1)

式中：Scr為進水口處低于死水位的臨界淹沒水深；d為閘門的孔口凈高度，d=2.4m；C為經驗系數，C=0.55；V為閘門斷面的水流速度，m/s。

經計算：安全淹沒深度為Scr =0.56m，隧洞進口底板高程為131.50m。

確定灌溉洞縱坡為0.5%，出口高程為130.70m。

2.2 灌溉洞過流能力計算

有壓隧洞宜采用圓形斷面，并且最小直徑≥2.0m，根據二甲溝水庫施工及運行條件確定以下計算工況：

1)死水位情況，下釋放環境流量，環境流量為5.25 m3/s。

2)設計水位情況，下灌溉及釋放環境流量，最大流量為18.88 m3/s。

3)導流情況(P=2%)，最大導流流量為44.38 m3/s。

有壓隧洞過流能力按照管流計算，其基本計算公式：

(2)

式中：hp為隧洞出口斷面水流的平均單位勢能，hp=0.5a+P/γ；a為出口斷面洞高，2.0m；P/γ為出口斷面平均單位壓能，灌溉洞出口為自由出流，出口段逐漸收縮改善出口斷面與下游邊界的銜接條件，使出口頂部負壓得以消除，取P/γ=0.5a；Ad為管道出口計算斷面面積；Z0為計入行近流速水頭的上下游計算水頭差；T0為出口底板高程至上游水位并計入行近流速水頭的總水頭；μ為流量系數。

在自由出流且管道斷面沿程不變時流量系數計算公式如下：

(3)

式中：l為隧洞總長度；∑ξ為進口及管內局部水頭損失之和；Cd、Rd為謝才系數和水力半徑。

計算所需要參數及計算結果見表1。

表1 灌溉洞過流能力計算成果表

經計算：灌溉洞洞徑由導流工況控制，洞徑D=2.4m，灌溉洞滿足導流設計要求，灌溉期運行為保證隧洞出口壓力要求，隧洞出口斷面宜收縮為洞身斷面積的85%-90%，因此，灌溉洞出口洞徑D=2.0m，灌溉洞出口段導流后再做襯砌。

2.3 隧洞襯砌結構計算

為了保持圍巖穩定，減少洞壁糙率，滿足運行所要求的水力學條件，承受巖石壓力、水壓力，滿足防滲、環境保護要求，防止巖石風化、水流沖刷以及溫度、濕度、大氣等因素對圍巖的破壞，需要進行永久襯砌支護[2]。

隧洞襯砌可采用混凝土、鋼筋混凝土、鋼板等采用，考慮灌溉洞所在位置處圍巖地質條件較差，固文章采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度有結構計算確定，初步估算時襯砌厚度可采用直徑得1/12-1/16，但為了施工方便，對于單筋斷面的襯砌厚度一般≥0.3m，對于雙筋斷面一般≥0.4m。

圓形有壓隧洞，內水壓力是襯砌的主要作用，采用面力假設，考慮圍巖的彈性抗力。采用理正巖土計算PB1版軟件進行隧洞襯砌結構計算。計算參數及結果見表2。

表2 隧洞襯砌計算成果表

3 結 語

結合二甲溝水庫工程灌溉洞實際工程，選擇圓形有壓斷面形式，確定隧洞進出口高程、縱坡，計算隧洞過流能力，并且采用理正軟件進行隧洞襯砌計算，得到經濟合理隧洞布置。同時有壓隧洞在運行過程中應該保證充水過程中隧洞的內水壓力變化率≤10m/h，排水過程中內水壓力變化率為2-4m/h。