開陽縣黃里莊排洪工程建筑物設計計算

黃軍

摘 要：針對黃里莊排洪工程區可能存在滑塌的問題，本文結合排洪工程整體布置，對排洪隧洞建筑物布置進行了優化調整，并根據水力計算對隧洞細部結構進行了詳細論證分析。計算結果表明，排洪隧洞建筑物設計方案經濟可行，各項指標均滿足規范要求，可為工程施工建設提供重要的技術參考。

關鍵詞：排洪隧洞;引水渠;尾水渠;水力計算

中圖分類號：TU82 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0095-03

Abstract： In view of the possible landslide problem in the Huanglizhuang flood drainage project area， this paper combined with the overall layout of the flood drainage project， optimized the layout of the flood drainage tunnel building， and conducted a detailed demonstration and analysis of the tunnel's detailed structure based on hydraulic calculations. The calculation results show that the design scheme of the flood discharge tunnel building is economical and feasible， and all indicators meet the requirements of the specification， which can provide an important technical reference for project construction.

Keywords： flood drainage tunnel;diversion canal;tailrace canal;hydraulic calculation

貴陽市開陽縣以33.3 hm2壩區、1 666.7 hm2蔬菜基地建設為契機，在開陽縣楠木渡鎮、馮三鎮、龍崗鎮和高寨鄉等4個鄉鎮精心選擇了15個地塊（耕地面積共計508.9 hm2）開展高標準蔬菜基地建設，即《開陽縣萬畝蔬菜基地基礎設施建設項目（土地平整、排水、田間道路部分）》。黃里莊排洪工程為蔬菜基地建設項目排水子項目的一部分，位于開陽縣楠木渡鎮黃木村黃里莊組附近，主要解決黃里莊地塊及周邊耕地的排水問題，涉及耕地總面積為56.7 hm2，其中黃里莊地塊面積為35.5 hm2。工程全長為1 253.10 m，由引水渠、隧洞（含進出口漸變段）、尾水渠和陡坡等組成。

1 工程地質條件

測區出露地層有硬質碳酸鹽巖及砂巖、頁巖組成的碎屑巖，地表形態為巖溶溝谷和弱切割河谷，碳酸鹽巖區溶蝕作用強烈，地形相對平緩，未發現巖溶塌陷、崩塌等不良地質現象;碎屑巖地區物理風化作用強烈，河流下切嚴重，兩岸地形坡度比較陡峭，砂巖、頁巖暴露，風化加劇，第四系常在雨季易發生滑塌，根據區內地質調查，未發現山體整體變形跡象，但局部有小型淺層滑塌，滑塌方量不大，對工程影響較小，但施工時應特別注意施工安全。

2 排洪工程結構設計計算

2.1 已建黃里莊排洪工程現狀

已建黃里莊排洪工程由引水渠、隧洞、尾水渠三部分組成，長度分別為57 m、500 m（不含進出口漸變段）和600 m，總長為1 157 m。下游出口無消能設施。黃里莊排洪隧洞工程建于1997年2月25日，于1997年8月19日完工。通過測量，引水渠進口底板高程為796.31 m，尾水渠出口底板高程為788.31 m，高差為8 m。

引水渠為漿砌石結構，水泥砂漿勾凸縫，斷面為倒梯形。經現場測量，斷面尺寸如下：底寬為3.6 m，頂寬為7.44 m，高為2.4 m，邊墻頂厚為0.5 m，坡比為0.8，平均比降為0.005。現已部分淤積，長有雜物等。

隧洞進出口為混凝土襯砌，斷面為圓拱直墻，洞寬為2.0 m，洞高為2.3 m（其中直墻高1.75 m，拱高0.55 m），拱中心角為115°，平均比降為0.005。洞內斷面極不規則，底板為混凝土，邊墻及頂拱未襯砌，寬為1.8～2.1 m，高為1.8～2.4 m。

尾水渠為漿砌石結構，水泥砂漿抹面，斷面為倒梯形，經現場測量，引水渠斷面尺寸如下：底寬為2.5 m，頂寬為3.7 m，高為2.4 m，邊墻頂厚為0.4 m，坡比為0.25，平均比降為0.008。現已長有雜物等，底板有沉降、裂縫，邊墻有裂縫，長有雜物等。出口下游左側耕地被垮，高約為6 m，寬約為15 m。

2.2 工程等別及洪水標準

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017），保護農田面積小于3 333.3 hm2的，工程等別為Ⅴ等，工程規模為小（2）型。排洪隧洞設計洪水流量介于50～200 m3/s，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017），排洪隧洞主要水工建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級。黃里莊排洪工程主要是農田防護，根據《防洪標準》（GB 50201—2014），防護耕地面積小于2萬hm2的防洪標準應為10～20年一遇，本工程位于山區，以山洪防護為主要目的，為減小工程投資，設計防洪標準確定為10年一遇洪水頻率（[P]=10%），設計洪水流量為108.1 m3/s。

2.3 排洪建筑物優化布置

從投資和施工難度上考慮，隧洞基本沿已建黃里莊排洪工程布置，其比降與已建工程比降一致，出口增設消能措施。黃里莊排洪工程由引水渠、隧洞（含進出口漸變段）、尾水渠和陡坡（含進口段、陡坡段、消力池段與出口段）組成，長度分別為65 m、520 m（其中進口漸變段長15 m，隧洞段長485 m，出口漸變段長20 m）、570 m、98.10 m（其中陡坡進口段長8.60 m、陡坡段長32.5 m、消力池段長30 m、出口段長27 m），總長為1 253.10 m，進出口底板高差為17.865 m。出口至構皮灘水電站正常蓄水位高差為146.635 m，由于末端受地形限制，且構皮灘水電站庫區為通航河段，布置消能措施影響通航。所以，出水通過自由泄流至構皮灘水電站庫區。

2.4 排洪建筑物水力計算

2.4.1 引水渠及尾水渠水力計算。一是引水渠初擬參數：過水斷面為倒梯形，漿砌塊石邊墻勾平縫，采用混凝土底板，比降為0.005，坡比為0.5。二是尾水渠初擬參數：過水斷面為倒梯形，采用混凝土邊墻和混凝土底板，比降為0.008，坡比為0.25。由于尾水渠一側靠山，另一側為陡坎，采用實用經濟斷面和最佳水力斷面計算的底寬較大，水深較淺，造成靠山一側開挖量較大或陡坎側邊墻較高[1-2]，因此采用實用經濟斷面和最佳水力斷面計算斷面尺寸。梯形渠道實用經濟斷面根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018）進行計算，結果如表1所示。

由表1可知，引水渠設計斷面流速為4.33 m/s，尾水渠設計斷面流速為6.79 m/s，均滿足不沖流速要求，設計斷面經濟合理。

2.4.2 隧洞水力計算。黃里莊排洪隧洞按無壓隧洞考慮，根據《水工隧洞設計規范》（SL 279—2016）要求[3]，初擬隧洞參數：過水斷面為圓拱直墻，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，比降為0.005，拱中心角為120°，洞寬為4.9 m，洞高為5.2 m，隧洞長為485 m。隧洞進、出口連接段采用扭曲面連接。經計算，隧洞為無壓流長洞，陡坡，流態為急流。隧洞按無底坎寬頂堰堰流公式計算過流能力，即

式中，[Q]為計算流量，m3/s;[σ]為淹沒系數，取1.0;[ε]為側收縮系數，取1.0;[m]為流量系數，取0.368;[B]為隧洞底寬，m;[g]為重力加速度，m/s2;[H0]為包括行近流速在內的進口水深，m。

參數[H0]用公式可以表示為：

式中，[H]為上游渠道水深，m;[α]為動能修正系數，取1.05;[υ]為上游行近流速，m/s。

計算流量為108.12 m3/s，過流能力略大于設計流量108.10 m3/s，試算結果滿足要求。

根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018）及《水工隧洞設計規范》（SL 279—2016）計算，黃里莊排洪隧洞凈空高度為1.480 m，不小于0.4 m，滿足要求;凈空面積比值為22.32%，不小于15%，滿足要求。隧洞設計斷面參數如下：過水斷面為圓拱直墻，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，比降為0.005，拱中心角為120°，洞寬為4.9 m，洞高為5.2 m，隧洞長485 m，進口內水深為3.720 m，出口內水深為3.440 m。隧洞進、出口連接段采用扭曲面連接，進口連接段長度為15 m，出口連接段長度為20 m。

2.4.3 陡坡水力計算。尾水渠末端設置陡坡消能，陡坡由進口段、陡坡段、消力池段和出口段組成[4-5]，其中，進口段由進口連接漸變段和進口控制段組成，出口段設置海漫。初擬陡坡參數如下：連接漸變段采用扭曲面連接，進口控制段缺口采用矩形斷面，缺口寬為3.64 m，底坡坡度比為1.0∶2.5，水流跌差為13 m，陡坡擴散角為6°，下游底寬為10.47 m，陡坡、消力池、出口段均采用矩形斷面，采用綜合式消力池，底流消能。根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018）計算，上游直線段長度（上游渠道底寬的10倍）為37.5 m，設計取37.5 m。連接漸變段采用扭曲面連接，進口連接段長度根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018）計算，上游渠道底寬與上游渠道水深之比為1.086，其小于2，連接段長度不大于8.633 m，設計取8.60 m。缺口水流流態為自由出流。進口控制段缺口采用矩形斷面。陡坡過流能力計算成果如表2所示。

由表2可知，計算流量為108.181 m3/s，大于設計流量108.10 m3/s，滿足要求。

2.4.4 消力池水力計算。黃里莊排洪隧洞采用綜合式消力池，底流消能。計算坎高為0.437 m，設計取0.42 m。計算池深為2.764 m，設計取2.80 m。計算消力池長度為29.31 m，設計取30.00 m。計算海漫長度為21.85～32.13 m，設計取27 m，末端基礎入基巖。

2.4.5 邊墻高度計算。引水渠邊墻超高根據《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013）進行分析，計算堤頂超高為0.517 m，設計堤頂超高取0.60 m。設計水深為3.785 m，設計堤頂超高為0.60 m，計算堤高為4.385 m，設計取4.4 m。尾水渠邊墻超高采用引水渠邊墻超高形式，設計堤頂超高取0.60 m。設計水深為3.453 m，設計堤頂超高為0.60 m，計算堤高為4.053 m，設計取4.10 m。進口連接漸變段邊墻超高、高度與尾水渠邊墻超高、高度一致，即邊墻超高為0.60 m，邊墻高度為4.10 m。進口控制段邊墻超高、高度與進口連接漸變段邊墻超高、高度一致，即邊墻超高為0.60 m，邊墻高度為4.10 m。計算陡坡邊墻最大高度為3.780 m，考慮與進口控制段和消力池邊墻的銜接，邊墻高度取3.81 m，末端段高程與消力池邊墻頂部高程一致。消力池共軛水深為5.882 m，計算消力池邊墻高度為7.382 m，設計取7.40 m。海漫水深為2.570 m，計算邊墻高度為3.170 m，設計取3.20 m。海漫首段邊墻頂部與消力池邊墻頂部連接采用1∶5坡比連接。

3 結論

黃里莊排洪工程主要解決黃里莊地塊及周邊耕地的排水問題，涉及耕地總面積為56.7 hm2，其中黃里莊地塊面積為35.5 hm2。為確保排洪隧洞建筑物結構具有較高的安全穩定性，本研究在排洪工程整體布置和設計計算中進行了詳細論證分析，優選合理的設計方案，確保工程施工的高效、優質。工程區碎屑巖物理風化作用強烈，河流下切嚴重，兩岸地形坡度比較陡峭，砂巖、頁巖暴露后，風化加劇，第四系常在雨季易發生滑塌，施工時采取“短進尺，弱爆破，強支護，勤觀測”的方式掘進，可以滿足隧洞建筑物建設要求。水力計算成果表明，采用無壓長洞方案，其水頭損失較小，隧洞過流、設計流速等指標均滿足要求。

參考文獻：

[1]楊秀華，徐倩，李邦偉.金中鎮洋水河排洪隧洞洞線選擇分析[J].水利技術監督，2018（5）：240-243.

[2]何淼.隧洞開挖超前支護施工技術在吉林汪清縣西大坡水利樞紐工程中的應用[J].水利建設與管理，2015（10）：4-7.

[3]陳桂杰，郭強，夏艷慧，等.巴基斯坦汗華水電工程導流隧洞水力計算分析[J].水利水電工程設計，2007（4）：1-3.

[4]付云生，王濤，原虎軍，等.某磷石膏庫防洪排水能力演算分析[J].綠色環保建材，2019（10）：198.

[5]鄭利娜，趙世忠.大西溝鐵礦排水井泄流能力試驗及體型優化[J].陜西水利，2019（7）：162-165.