有壓+無壓泄水形式在福溪水庫防洪能力提升中的應用

2023-08-23 07:43:28劉婷,孫甜,張冬

水利科技與經(jīng)濟 2023年8期

劉婷,孫甜,張冬

(1.中電建新能源集團有限公司華東分公司,杭州 310014;2.浙江大禹信息技術有限公司,杭州 310002;3.浙江省水利水電勘測設計院有限責任公司,杭州 310002)

1 項目現(xiàn)狀

提升流域防洪能力的方法一般有“蓄、滯、分、泄”[1]。而對于已建水庫工程,可考慮增加預泄措施,從而提升其防洪能力。

福溪水庫位于浙江省樂清市仙溪鎮(zhèn)上游約5km的大荊溪上福溪支流中游,壩址集水面積39.17km2,始建于1959年。2010年除險加固后,總庫容2 270×104m3,水庫樞紐工程包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪放空洞(現(xiàn)有D1.6～1.9m、進口閘門井底高程191.944m的泄洪放空洞)、輸水隧洞、發(fā)電廠和升壓站等建筑物?，F(xiàn)有泄洪放空洞作為放空水庫和預泄洪水用,不參與泄洪。泄洪放空洞出口設工作閘門一扇,孔口尺寸1.5m×2.0m(寬×高)。

根據(jù)浙江省水利廳《關于開展大中型水庫防洪能力提升有關工作的通知》,提升水庫防洪能力是流域、區(qū)域防洪減災的需要,也是適應經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展迫切需求和提高“兩個高水平”建設水利保障能力的重要手段。為了進一步提高應對各類突發(fā)水雨情的預泄調度,進一步提升預泄能力,為水庫防洪調度能力提升提供充足裕度,需新建預泄設施,經(jīng)復核,新建預泄設施需滿足水位225.31～228.31m之間保證泄流量200m3/s。

2 總體設計思路

采用“龍?zhí)ь^”[2]方式改建原導流洞為泄放洞,作為水庫預泄設施。在上游合適位置設置上平洞、閘門井及斜洞段,斜洞段與原有導流洞銜接;出口段適當調整軸線,并設置相應的消能設施,從而形成完整的泄洪通道。

新建泄放洞總長約327m(其中利用原導流洞118m,出口擴挖段26m),主要包括進口段(包括閘門井前平洞段)、閘門井段、上平洞段、斜洞段、原導流洞段及出口段。見圖1。

圖1 新建泄放洞布置示意圖(單位:m)

新建泄放洞進口樁號范圍為泄0-075.31～泄0+000.00,底板高程208.70m,長約75.31m。進口采用巖塞爆破,設計巖塞長度約7.5m,直徑5.0m,下設集渣坑。之后為新開上平洞段,采用圓形斷面型式。隧洞采用C35W6F50砼襯砌,襯后洞徑5.4m。泄0-010.00～泄0+000.00為圓變方漸變段,由5.4m的圓洞變?yōu)?.3m×3.9m(高×寬)的方洞,以便與閘門井銜接。

閘門井段位于泄0+000.00-泄0+009.77。根據(jù)閘門結構及啟閉設備布置要求,閘室段長9.77m,寬6.30m。檢修閘門和工作閘門孔凈尺寸為3.9m×4.3m(寬×高)。工作門后設壓坡段,樁號范圍為泄0+006.72～泄0+011.77,坡度1∶5,長5m,此段為方洞型式,采用C35W6F50砼襯砌,襯后洞徑3.9m×4.3m～3.9m×3.3m(寬×高)。

壓坡后為上平洞段45.08m,坡度5%。其中,設漸變段10m,樁號范圍為泄0+011.77～泄0+021.77,由方洞變?yōu)槌情T洞,后接35.08m的平洞段和46.32m的斜坡段,隨后進入原導流洞。平洞段襯后洞徑5.4m。

斜洞段位于泄0+056.85～泄0+096.73,坡比1.25:1,底高程范圍206.45～186.02m。本段斷面為城門洞型,襯后洞徑5.4m。

利用原導流洞段的樁號范圍為泄0+096.73～泄0+215.50,緊接泄0+215.50m～泄0+241.62m為出口擴挖段約26m,末端做寬11.36m的挑流鼻坎,將水流挑入下游深潭。

3 水面線銜接計算

3.1 有壓洞壓力余幅驗算

閘門井前為有壓洞段,需滿足壓力余幅要求[3]。新建泄放洞有壓段水流可視為均勻流,其水頭損失包含兩部分:沿程水頭損失和局部水頭損失[3],具體計算方法可參考《水工隧洞設計規(guī)范》(SL 279-2016)。

新建泄放洞有壓段計算結果如下:總水頭損失5.07m,則有壓洞段洞頂最小壓力水頭(最低預泄水位225.31m工況下)為225.31-(208.70+5.4)-5.07=6.14m>2m,滿足壓力余幅要求。

3.2 無壓洞水面線計算

閘門井后隧洞內水流為無壓流,首先根據(jù)閘門后收縮斷面水深、能量方程[4]及明渠流量公式[5]確定上平洞的起始斷面水深、正常水深、臨界水深[6],進而判斷其水面線類型;再由能量方程推算上平洞段其他斷面水深,得到上平洞的水面線。同理,推算斜洞段、原導流洞段各斷面水深及水面線[7]。

閘孔后收縮斷面水深3.3m,即上平洞的起始斷面水深。

無壓洞洞內正常水深計算公式:

式中:Q為洞內流量,m3/s;A為過水斷面面積,m2;C為謝才系數(shù);R為水力半徑;i為縱坡。

無壓洞洞內臨界水深(考慮為矩形斷面)計算公式如下:

式中:hk為臨界水深;q1為“龍?zhí)ь^”末端斷面單寬流量;g為重力加速度。

棱柱形明槽中的恒定漸變流[8],水深h的沿程變化率計算公式如下:

式中:h為某斷面水深;Q為斷面流量;n為糙率,混凝土襯砌取0.014。

水流摻氣水深[9]計算公式如下:

式中:h、hb為計算斷面的水深及摻氣后的水深,m;v為不摻氣情況下計算斷面的流速,m/s;ζ為修正系數(shù),可取1～1.4s/m,流速大者取大值。

根據(jù)該泄放洞的工作條件,設計工況取為以下3種:①預泄工況,水位范圍225.31～228.31;②上游為設計洪水位工況(233.11m);③上游為校核洪水位工況(234.36m)。

各工況上平洞段始端水深計算結果見表1。

表1 上平洞段始端水深計算成果表

由于h0

表2 斜洞段始端水深計算成果表

由于h0

表3 下平洞段始端水深計算成果表

由于h1

1) 上平洞段水面線計算結果見表4。

由表4可知,當泄放洞參與調洪,上游遭遇最高水位為校核洪水位時,最大下泄流量為261m3/s,上平洞內最大摻氣水深為3.88m。而上平洞襯后洞徑為5.4m,洞內水面上凈空為洞身面積的22.1%(>15%),且洞內水面上凈空1.52m(>0.4m),其余工況洞內水面上凈空面積均大于洞身面積的15%(且水面上凈空大于0.4m),因此上平洞在各工況下均滿足無壓流要求。

2) 斜洞段水面線計算結果見表5。

表5 斜洞段各斷面水深計算成果表

由表5可知,當泄放洞參與調洪,上游遭遇最高水位為校核洪水位時,最大下泄流量為261m3/s,斜洞段內最大摻氣水深3.71m。而斜洞段襯后洞徑為5.4m,洞內水面上凈空為洞身面積的26.5%(>15%),且洞內水面上凈空為1.69m(>0.4m),其余工況下洞內水面上凈空面積均大于洞身面積的15%(且水面上凈空大于0.4m),因此斜洞段在各工況下均滿足無壓流要求。

3) 下平洞段水面線計算結果見表6。