格鬧河水電站大壩導流洞設計

□劉 凌(貴州省水利水電勘測設計研究院)

1.工程概況

格鬧河水電站壩址位于貴州威寧縣云貴鄉與云南彝良縣龍街鎮的界河洛澤河干流河段上，采用引水式開發，壩址以上集水面積1923km2，多年平均流量24.6m3/s。

本工程大壩壩型為C15混凝土單曲拱壩，水庫正常蓄水位1470m，死水位1468m，正常蓄水位以下庫容160萬m3，死庫容126萬m3，相應調節庫容34萬m3，庫容系數0.04%，基本具有日調節性能。

2.水文條件

格鬧河水電站壩址位于貴州威寧縣云貴鄉與云南彝良縣龍街鎮的界河洛澤河干流河段上，壩址控制流域集水面積為1923km2，下距馬路村水文站約47km。廠址以上流域集水面積2768km2，距上壩址約12km。

洛澤河流域屬亞熱帶季風氣候區，氣候具有明顯的季節性，徑流主要由降水補給。徑流與降水的時空分布一致，年際變化小但年內分配不均。徑流主要集中在6～11月，其中7～9月最集中，徑流量占年總量的49%左右。由于洛澤河流域內廣布石灰巖，巖溶發育，故地下水豐富。枯期徑流主要靠地下水補給，其徑流深往往超過流域降水量。多年平均月徑流最小為1～4月，且比較穩定。

本工程施工水文資料分別見表1、表2。

表1 格鬧河壩址不同頻率分期洪水成果表 單位：m3/s

表2 格鬧河壩址水位～流量曲線關系表

3.導流標準和導流方式

3.1 導流標準

本電站工程總庫容207萬m3，裝機規模為50M W，工程等級以裝機規模為標準，本工程規模為中型，工程等級為Ⅲ級。根據《水利水電工程施工組織設計規范》（SL303－2004）的規定，相應的臨時建筑物為5級，相應的導流標準為P=20%。

3.2 導流方式

壩址位置水面寬40m。兩岸地形陡峭，河谷斷面呈“U”字型峽谷，兩岸山體雄厚，基巖裸露，壩基巖石堅硬、完整，強度高。根據壩址地形、地質和水文條件，本工程顯然不宜采用分期圍堰導流方案，因為無論是先圍左岸或是右岸，縱向圍堰的布置都存在困難，如果采用土石縱向圍堰，則將幾乎占滿基坑外的整個河床，如果用混凝土或漿砌石圍堰，則由于河床覆蓋層深，也需要水下清基后澆筑混凝土，或另修筑子圍堰，工程量大，時間長。總之由于河床狹窄，分期圍堰時過水斷面小，河水壅高，對圍堰要求高，工程量大，很不經濟，予以放棄。根據地形情況，壩址河床兩岸，沒有開挖導流明渠的條件。經比較，本工程導流方式采用全段圍堰一次斷流隧洞導流方式。

3.3 導流洞的設計

3.3.1 導流方案的比選

考慮到樞紐布置形式，結合水文、地形、地質條件等因素，右岸山體河床高程部位較緩，左岸山體雄厚，巖性對稱，壩址處位于河灣下游，洞線布置在左岸相對較短，從地形上來說導流洞布置在左岸有利。綜合考慮導流洞布置在左岸相對經濟合理可行。

3.3.2 隧洞布置

導流隧洞布置于大壩左岸，全長206.527m，隧洞進口直線段長19.417m，轉彎段1長19.906m，轉彎半徑為40m，轉角28.51°,中間直線段長113.59m，轉彎段2長33.35m，轉彎半徑為40m，轉角47.93°，出口直線段長20.15m。隧洞進口底板高程為1449.00m，隧洞出口底板高程為1448.50m，底坡為0.24%。

3.3.3 隧洞斷面和進口型式選擇及水力計算說明

導流設計流量為Q=64.7m3/s，相應下游水位hd=1449.10m，在《格鬧河壩址水位～流量曲線關系表（表2）》中內插。導流洞設計時，考慮導流時段內導流標準對應的洪峰來臨時隧洞泄流為有壓流，而且導流時段內洪峰來臨時上游對應的水位低，不考慮圍堰形成的庫容調節，上游壅高水位按導流洞過流洪峰流量控制，導流洞斷面擬采用城門洞型斷面，斷面尺寸為3.5m×5m，進口閘門井采用3.5m×5m矩形斷面，采用下式計算導流洞上游水位：

3.3.3.1 有壓非淹沒出流

3.3.3.2 有壓淹沒出流

式中：Q—為流量（m3/s）；μ—為流量系數；ω—為導流洞出口斷面面積；g—為重力系數，g=9.81；T0—為上游水面與導流洞出口底板高程的差值；hp—為隧洞出口斷面水流的平均單位勢能,一般取出口洞高5m。

計算的基本方法為：計算有壓流條件下公式中的參數，即流量系數μ值，再計算T0值，從而求出上游水位和上、下游圍堰高程。

（1）流量系數：

城門洞形斷面積經計算得：

濕周計算式：

水力半徑計算式：

謝才系數計算式：

n=0.014（混凝土支護），0.032（噴混凝土）。

（2）局部損失參數：

進口閘門槽ξ=0.1

漸變段（矩形變城門洞形）ξ=0.1

平面轉彎段：

D為導流洞徑，取3.5m；R為轉彎半徑40m；θ為轉角28.153°，47.933°。

將以上各值代入上式的ζ=0.27。

出口未設閘門槽

3.3.3.3 沿程損失參數

基本計算公式：2gLi/Ci 2Ri(ω/ωi)2

Li、Ci、Ri、ωi分別為 i段內的長度、謝才系數、水力半徑、斷面面積。

將局部、沿程損失列表進行計算：(如表1)

將所得數據代入流量系數公式可得：

3.3.3.4 上游水深計算

先假設導流洞為有壓自由出流，按下式計算：

表3 局部、沿程損失參數表

則上游水位為hu=1448.5+8.428=1456.928m

3.3.3.5 有壓流、無壓流的判別

上游水深H＜1.2D時導流洞為無壓流，當上游水深H＞1.5D（D為洞高），導流洞為有壓流，當上游水深1.2D＜H＜1.5D時，導流洞為半有壓流。以上計算先假設導流洞為有壓自由出流，求得T0=8.428m。從以上的計算可知上游水深為1448.5+8.428-1449.0=7.928m＞1.5×5=7.5m，且壩址下游河床水位1449.100m＜導流洞出口洞頂高程1453.5m,故屬于有壓自由出流，所以按有壓流的計算公式計算是正確的。

經過水力計算驗證，隧洞斷面尺寸采用3.5×5m是合適的。

4.結語

導流洞設計是攔河大壩順利施工的關鍵保證，同時作為臨時建筑物，其經濟合理性也是很重要的指標，在河谷狹窄地段設計導流洞，推薦導流洞設計采用洪峰時段有壓洞比較經濟合理，本文對有壓洞設計提供一種思路和經驗。