天臺水庫泄洪洞設計水力計算分析

張熙芳

(廈門仁銘工程顧問有限公司福州分公司，福建 福州 350001)

1 工程概況

1.1 工程總布置

天臺水庫大壩位于福州市馬尾區天臺山下游約500 m河段，距浩溪庫尾約800 m，壩址以上流域面積10.75 km2。水庫正常蓄水位(汛限水位)90.30 m，50 a一遇設計洪水位114.00 m，500 a一遇校核洪水位115.23 m，總庫容315.38萬 m3，小(1)型水庫，屬Ⅳ等工程，大壩、泄洪洞等主要建筑物

水庫樞紐主要建筑物有大壩、泄洪洞、引水建筑物等。大壩采用漿砌石雙曲拱壩，壩頂中部設溢流段自由溢流，堰頂高程113.07 m，堰凈寬30 m，可攔蓄20 a一遇設計洪水最大12 h洪水量188.35萬 m3而不下泄洪水。泄洪洞布置于大壩上游左岸，引水建筑物布置于拱壩右岸壩身。

1.2 泄洪洞布置

天臺水庫泄洪洞進口位于大壩軸線上游側70 m左右，出口位于大壩下游100 m左右，隧洞總長162.98 m，洞后接錐閥室、消力池，泄洪洞水流經錐閥、消力池消能后由溢流段挑流泄往下游，設計最大泄洪流量20.73 m3/s。泄洪洞由進口段、方形平洞段、豎井閘室段、漸變段、圓形隧洞段、出口鋼襯段、錐閥消能段、溢流段、及啟閉房等組成。

2 泄洪洞水力計算分析

2.1 進水口底高程確定

根據《水利水電工程進水口設計規范》(SL285-2020)3.3.4條“有壓式進水口應保證在上游最低運行水位時有足夠的淹沒深度，保證口門流態平穩。最小淹沒深度宜按附錄B.1估算”。

(1)從防止產生貫通式漏斗漩渦考慮的最小淹沒深度可按下公式確定：

S=Cvd1/2

(1)

式中：C為系數，側向水流取0.73；v為閘孔斷面平均流速(m/s)，取2.66m/s；d為閘孔高度(m)，取隧洞進口洞高2 m。

經計算，最小淹沒深度S=2.74 m。

(2)為保證進水口內為壓力流的最小淹沒深度同時滿足下式：

(2)

式中：K為安全系數，不小于1.5，取2；Δh1為攔污柵水頭損失(m)，取0.01m；Δh2為壓進水口喇叭段水頭損失(m)，取0.02 m；Δh3為閘門槽水頭損失(m)，取0 m；Δh4為壓力管道漸變段水頭損失(m)，取0 m；Δh5為進水口流道沿程水頭損失(m)，取0.01 m；v5為進水口流道平均流速(m/s)，取2.66 m/s。

經計算，最小淹沒深度S=2 m。

設計選定進水口洞頂高程為87.0 m，泄洪洞運行工況最低水位為汛限水位90.3 m，最低水位下淹沒深度為3.3 m>max(2.74，2)m，滿足最小淹沒深度。

2.2 過流能力計算

水工隧洞過流能力按流態為有壓流、自由出流計算，計算公式根據《水力工程設計計算手冊》隧洞有壓流泄量公式：

(3)

(4)

通過計算，隧洞最大泄流流量為20.73 m3/s。按照水庫防洪調度要求，每次洪水過后，必須在48 h內通過泄洪洞泄洪將庫水位降至汛限水位，以準備迎接下一場洪水。水庫水位在113.07～90.3 m之間下，泄洪洞平均泄流流量為16.35 m3/s，水庫區間庫容為188.35萬 m3，經計算最快可在32 h內排完，滿足48 h內通過泄洪洞泄洪要求。

表1 泄洪洞不同水位泄流流量表

2.3 驗算洞頂壓力余幅與空化數

根據《水工隧洞設計規范》(SL279-2016)5.1.2條規定“有壓隧洞不應出現明滿流交替的流態，在最不利運行條件下，全線洞頂處最小壓力水頭不應小于2m”。洞頂壓力余幅根據《水力工程設計計算手冊》恒定管流中簡單管道測壓管水頭計算公式進行計算。

根據《水工隧洞設計規范》(SL279-2016)附錄B.0.1規定“高流速水工隧洞設計時，應使水流空化數σ大于初生空化數σi”。高流速水工隧洞應按下式計算沿程水流空化數σ：

(5)

(6)

(7)

式中：P0為計算斷面處的時均動水壓力(kPa)，當水流流速大于30 m/s時，應計脈動壓力的影響；Pa為計算斷面處的大氣壓力(kPa)，對不同高程按式估算；γw為水的重度(kN/m3)，取9.81 kN/m3；為海平面以上高度(m)；Pv為水的汽化壓力(kPa)，取水溫20℃時的2.4 kPa；ρw為水的密度(kN)；g為重力加速度(m/s2)；v0為計算斷面處的水的流速(m/s)，可按實測流速分布圖取斷面平均流速。

由表2計算可知，泄洪洞在水庫水位113.07～90.30 m之間泄洪時，除出口處外(出口斷面壓力分布不符合靜水壓力規律)的隧洞洞頂的壓力余幅水頭均大于2 m，滿足規范要求最小洞頂壓力水頭。

表2 不同水位下隧洞各斷面處洞頂壓的壓力余幅與空化數

隧洞最小空化數為水庫水位113.07 m時泄洪，泄洪洞出口空化數為0.51，豎井閘室段空化系數24.38(>初生空化數0.6)，其余段落空化數均大于1.7。根據規范要求水流空化數在0.36～0.60之間，隧洞可不設置摻氣設施，主要通過控制隧洞洞壁突體高度在12 mm以內，不平整突體正面坡磨平坡度為1/10、側面坡磨平坡度為1/5。

2.4 溢流段水面線計算

按照防洪調度要求，計算泄洪洞溢流段水面線時，水庫水位選用113.07 m高程，此時最大泄洪流量為20.73 m3/s。溢流段起始斷面為消力池出口處，起始水深取為臨界水深2.22 m。

泄槽段水面線采用《溢洪道設計規范》(SL253-2018)附錄A.3.1中的“分段求和法”公式計算，水流摻氣水深按附錄A.3.2中公式計算。

由表3可知，溢流段各段的側墻頂高程均能滿足要求，泄槽最小空化數為反弧最低點0.78，根據規范A.7.4條，可不設置摻氣設施，但泄槽水流邊壁表面不平整應予處理，在溢流落差≤20 m時，控制壁面突體高度在60 mm以內。

表3 溢流段水面線與水流空化數計算成果

2.5 溢流段挑流消能計算

泄洪洞宣泄洪水經溢流段挑流鼻坎挑流泄往下游，設計泄洪流量10.62～20.73 m3/s。根據《溢洪道設計規范》(SL253-2018)附錄A.4，計算公式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：L為水舌拋距，自挑坎末端算起至挑流水舌外緣與下游水面交點的水平距離(m)；v1為坎頂水面流速(m/s)；v為坎頂平均流速(m/s)；H0為水庫水位至坎頂的落差(m)；θ為挑流水舌水面出射角(°)，近似可取用挑坎挑角θ=10°；h1為坎頂末端豎直方向水深(m)，取h1=h/cosθ；h為坎頂平均水深(m)；h2為坎頂至河床面高差(m)，如形成沖坑可算至坑底，取h2=24 m；Z0為坎頂末端斷面水面以上的水頭(m)；φ為堰面流速系數；hf為泄槽沿程損失水頭(m)；hj為泄槽各項局部損失水頭之和，可取hj/Z0為0.05；S為泄槽流程長度(m)，取28 m；q為泄槽單寬流量(m2/s)。

表4 消能防沖計算成果表

根據計算結果，兩種工況下沖刷坑后坡均滿足規范要求。因此，從理論計算分析沖坑深度滿足設計要求。右岸輸水管道沿高程60 m布置，沖坑位于挑流鼻坎方向下游主河槽中，高程在41～45 m之間，距離輸水管道最近距離大于30 m，已遠離水工建筑物，從地形和地質條件看，挑流對兩岸不會構成大沖刷。

3 結語

泄洪建筑物是水庫樞紐不可缺少的重要組成部分，是保障樞紐安全和使樞紐能發揮預期效益的關鍵性建筑物。天臺水庫泄洪洞具有水頭高、流速大、空化系數較低的特點，高速水流問題較為突出。設計通過對泄洪洞進水口底高程、過流能力、洞頂壓力余幅與空化數、溢流段水面線、挑流消能等整體水力計算，對泄洪洞體形、尺寸進行設計及復核，經合理設計泄洪洞規模能滿足泄洪需求。天臺水庫已于2020年4月完工，泄洪洞經歷一年汛期泄洪考驗，目前運行良好，保證天臺水庫大壩汛期防洪度汛安全。