新疆托克遜縣烏斯通溝水庫(kù)灌溉洞設(shè)計(jì)分析

柴 揚(yáng)

（吐魯番市清源水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,新疆 吐魯番 838000）

1 概況

烏斯通溝水庫(kù)灌溉洞布置在左岸,洞長(zhǎng)為305.90 m,由交通洞連接工作閘井和左岸壩頂,灌溉洞布置在左岸巖石洞段內(nèi),由進(jìn)口段、有壓洞段、豎井段、無壓洞段、出口消能段組成,全長(zhǎng)為340.90 m,設(shè)計(jì)引用流量3.0 m3/s。

2 設(shè)計(jì)資料

（1）進(jìn)水口段

灌溉洞進(jìn)口底板高程為873.0 m,進(jìn)口段長(zhǎng)5 m。為使水流平順進(jìn)洞,進(jìn)口頂板為橢圓型曲線,橢圓方程為X2/22+Y2/0.72=1,邊墻厚1.5 m。進(jìn)口段截面為矩形,最前端橫斷面尺寸為4 m×2 m,末端橫斷面尺寸為2 m×2 m,長(zhǎng)5 m,寬5.0 m,進(jìn)口底板厚1.5 m,采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）有壓隧洞段

隧洞在工作閘井前為有壓段,總長(zhǎng)為61.83 m,縱坡i=0.085%,其中漸變段10 m,隧洞斷面形式采用城門洞型,圓弧頂拱半徑為1 m,側(cè)墻高為1 m,底板寬為2 m。全洞Ⅳ類以下圍巖,其他圍巖較破碎及透水率高的部位進(jìn)行固結(jié)灌漿,固結(jié)灌漿孔孔距3 m,成梅花布置,深入巖體3 m。

（3）工作閘井段

閘井段樁號(hào)0+061.83～0+079.83,總長(zhǎng)為18 m,閘井孔口斷面為矩形,總工作閘井橫斷面長(zhǎng)度為8.0 m、寬度為5.0 m,豎井底板高程為868.53 m,邊墻厚度為1.5 m,閘底板厚2.0 m。閘井采用C25 鋼筋砼結(jié)構(gòu),閘井通過10 m的過渡段與上下游隧洞相連,閘井設(shè)檢修門和弧形工作門,孔口閘門尺寸2.0 m×2.0 m。

（4）無壓隧洞段

隧洞在工作閘井后為無壓段,樁號(hào)0+079.83～0+305.90,總長(zhǎng)為226.07 m,縱坡i=5.54%,其中漸變段10 m。斷面形式與有壓段相同,均采用城門洞型。全洞Ⅳ類以下圍巖,其他圍巖較破碎及透水率高的部位進(jìn)行固結(jié)灌漿,固結(jié)灌漿孔孔距3 m,成梅花布置,深入巖體3 m。

（5）出口消能段

隧洞出口接出口消能段,斜坡段樁號(hào)為0+305.90～0+315.90,總長(zhǎng)為10 m,縱坡1∶4.0,底寬從2 m漸變至4 m,底板厚1.0 m,兩側(cè)邊墻高度2.0 m～5.5 m,與下游消力池接；消力池段樁號(hào)為0+315.90～0+340.90,總長(zhǎng)為25 m,消能形式為底流式消能,

沿沖溝修建引水明渠,引水渠縱坡1∶4.0,渠長(zhǎng)約50 m,將水引致底板高程為840 m矩形水池,水池尺寸為5 m×20 m,池深3.0 m,水池下游埋設(shè)兩根φ1.5 m預(yù)制砼管從上壩公路下通過,將灌溉水排至下游河床后,再進(jìn)入灌溉給水渠道。由于供水渠道歸屬于未建的供水工程,灌溉給水渠道接入點(diǎn)由于渠道高程未確定等原因本階段無法確定。

3 生態(tài)基流設(shè)計(jì)

生態(tài)基流的計(jì)算方法通常采用Tenent法計(jì)算,即將多年平均流量的10%～30%作為生態(tài)基流[1-2]。生態(tài)基流豐水期按壩址斷面多年平均流量20%確定,枯水期按壩址斷面多年平均流量10%確定[1～2]。烏斯通溝壩址斷面多年平均流量為1.30 m3/s,因此烏斯通溝水庫(kù)豐水期（7月～8月）生態(tài)基流量為0.26 m3/s,枯水期（9月～次年6月）生態(tài)基流量為0.13 m3/s。

本工程初期蓄水期由放空沖砂洞（兼導(dǎo)流洞）通過閘門控制下泄最小流量以滿足下游生態(tài)用水要求。運(yùn)營(yíng)期設(shè)置生態(tài)放水管下泄生態(tài)用水[3]。閘門前段接一管徑為φ500 mm,管長(zhǎng)20 m生態(tài)鋼管,出口設(shè)置錐形閥接至閘門后段無壓隧洞內(nèi),隧洞出口接消力池,消力池下游埋設(shè)兩根φ1.5 m預(yù)制砼管,將生態(tài)基流和灌溉水排至下游河床。下游的青年渠首渠部接生態(tài)流量控制閥,便于灌溉期渠首下游下泄生態(tài)基流。

4 灌溉洞水力學(xué)計(jì)算

（1）灌溉隧洞洞徑選取

灌溉放水管閘門豎井控制段前后分別為有壓段和無壓段。有壓段出口底板高程為868.53 m,以水庫(kù)死水位876.0 m時(shí)仍可按灌溉流量2.6 m3/s,加大流量3.0 m3/s,取水為控制條件進(jìn)行孔口尺寸設(shè)計(jì),按水力計(jì)算手冊(cè)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q為流量,m3/s；ω為管道面積,m2；H為作用水頭；μc為流量系數(shù)；d為管道直徑,m；L為管道計(jì)算段長(zhǎng)度,76.83 m；λ為沿程阻力系數(shù)；α為動(dòng)能修正系數(shù)；∑ξ為局部損失系數(shù)之和。

經(jīng)計(jì)算管徑為1.3 m。為減小進(jìn)口處的水流流速、方便施工,最終采用頂拱半徑為1 m,直墻高1 m,底寬2 m的城門洞斷面。

（2）灌溉隧洞進(jìn)口高程的確定

進(jìn)水口的頂高程取水庫(kù)死水位情況下（876.0 m）洞頂水深大于最小淹沒深度,以確保進(jìn)水口不產(chǎn)生負(fù)壓和不產(chǎn)生漏斗狀吸氣旋渦。

按戈登公式計(jì)算,即：

式中：S為進(jìn)水口淹沒深度,m；v為進(jìn)口斷面流速,m/s；d為進(jìn)口高度。

經(jīng)計(jì)算按戈登公式計(jì)算的最小淹沒深度為0.83 m。

b.進(jìn)水口不產(chǎn)生負(fù)壓的最小淹沒深度

按下式計(jì)算：

式中：Δh1～Δh4分別為進(jìn)口喇叭段、攔污柵、閘門段、漸變段等局部水頭損失；Δh5為進(jìn)水口沿程水頭損失；v 為輸水道平均流速,m/s；K 為不小于1.5的安全系數(shù),取2。

經(jīng)計(jì)算按不產(chǎn)生負(fù)壓的最小淹沒深度為0.33 m。

洞頂高程取875.0 m,底板高程取873.0 m,比淤砂高程872.5 m高0.5 m,滿足要求。

（3）灌溉洞水面線計(jì)算

a.灌溉洞水面線根據(jù)能量方程,用分段求和法計(jì)算[5],計(jì)算公式如下:

式中：Δl1-2為分段長(zhǎng)度,m；h1、h2為分段始、末斷面水深,m；v1、v2為分段始、末斷面平均流速,m/s；α1、α2為流速分布不均勻系數(shù),取1.05；為灌溉洞底坡角度,（°）；i為灌溉洞底坡,i=tg；J為平均摩阻坡降（分段內(nèi)）；n為洞身糙率系數(shù),0.017；為分段平均流速,v=（v1+v2）/2,m/s；為分段平均水力半徑,=（R1+R2）/2,m。

灌溉洞上游接調(diào)整段,其首部起始計(jì)算斷面水深h1為得臨界水深hk。

b.洞身首端斷面的臨界水深采用下式計(jì)算[6-7]：

式中：α為流量系數(shù),取1.05；q為單寬流量系數(shù)m3/（s·m）。

c.摻氣水深計(jì)算

灌溉洞水流摻氣水深按下式計(jì)算：

灌溉洞水力計(jì)算成果見表1。

表1 灌溉洞水力計(jì)算成果表

（4）出口消能計(jì)算

經(jīng)計(jì)算,消力池深2 m,池長(zhǎng)25 m。

a.抗沖計(jì)算

計(jì)算公式同前

按抗沖要求計(jì)算出：消力池底板厚度1.15 m。

b.抗浮穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算公式同前；

經(jīng)計(jì)算,=0.74 m,故本次設(shè)計(jì)采用底板厚度1.0 m。

c.消能工設(shè)計(jì)

經(jīng)上計(jì)算結(jié)果分析得出,灌溉洞消力池長(zhǎng)度采用25 m,池深3.0 m,消力池底板厚1.0 m。

5 灌溉洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)隧洞地質(zhì)情況和和流速情況,灌溉洞采用C25、厚度40 cm鋼筋混凝土襯砌。施工開挖過程中根據(jù)圍巖類別進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的支護(hù)措施,進(jìn)出口邊坡采用外掛鋼筋網(wǎng)噴錨防護(hù)。隧洞只進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算,以確定襯砌應(yīng)力及配筋[8-9]。

（1）荷載

作用在隧洞上的荷載主要有：同前導(dǎo)流、沖砂放空洞。

（2）荷載組合

表2 荷載組成及工況組合表

（3）計(jì)算結(jié)構(gòu)

灌溉洞洞內(nèi)襯砌厚度為0.4 m,有壓洞及無壓洞配筋成果表見表3。

表3 灌溉洞有壓及無壓段配筋成果表

6 結(jié)論

本次主要對(duì)烏斯通溝水庫(kù)灌溉洞洞徑選取、出口高程的確定、水面線計(jì)算、出口消能計(jì)算、以及對(duì)灌溉洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算,以確定襯砌應(yīng)力及配筋。灌溉洞內(nèi)的襯砌厚度及配筋通過計(jì)算得出滿足要求。通過對(duì)烏斯通溝水庫(kù)灌溉洞的設(shè)計(jì)計(jì)算,為此類灌溉洞的計(jì)算提供了設(shè)計(jì)依據(jù),經(jīng)過對(duì)烏斯通溝水庫(kù)灌溉洞設(shè)計(jì)分析計(jì)算,該項(xiàng)目計(jì)算與分析結(jié)果可靠,可以為今后優(yōu)化類似工程和減少工程投資等提供依據(jù)。