紅寺壩水庫泄洪排沙洞設計淺析

曹亞莉，王耀偉

(陜西省漢中市水利水電建筑勘測設計院，陜西 漢中723000)

1 概述

紅寺壩水庫位于漢江南岸一級支流濂水河上游，總庫容3 381萬 m3，有效庫容2 065萬 m3，死庫容225萬 m3，截止1998年水庫淤積量已達到931萬 m3，占總庫容的27.54%，水庫年均淤積25萬m3，已嚴重影響到水庫各項效益的正常發揮。因此，必須采取排沙減淤工程提高水庫效益，經過攔砂壩、排沙洞等多方案比較及論證，最終采用增建排沙洞來排沙減淤，使水庫延長壽命、各項效益能夠早日恢復。

2 排沙洞工程設計

2.1 排沙洞泄流規模的確定

要最大限度地發揮排沙洞排沙效率，必須在來水有充分保證的最佳時段前盡快泄空水庫，滿足靈活調控實現泄空沖刷。紅寺壩水庫排沙洞結合5～8月擔負灌溉任務的實際情況，除考慮少量的泄洪外，排沙的有利時段主要集中在9～10月，通過對該時段日均流量分級統計，以1981年豐水年為例，出現大于 60 m3/s、40 m3/s、15 m3/s、10 m3/s的天數分別4 d、9 d、25 d、33 d。委托西北水科所完成了分級流量下沖刷實驗，各級流量的沖刷結果見表1。

表1 分級流量沖刷結果匯總表

結合來水量、沖刷效果，采用《紅寺壩水庫排沙洞規模的論證》報告推薦結論，洞徑4 m，泄洪規模40 m3/s，泄空排沙流量10～40 m3/s。

2.2 底板高程及進水口形式的確定

根據排沙洞的作用和排沙特點，排沙效果大小取決于隧洞進口底板高程、泄量和流速。結合地形及水工模型實驗，泄空沖刷決定了底板進口高程，歷時較短的泄空沖刷以溯源沖刷為主，輸沙率按照清華大學推薦公式計算:

式中:Qsc為輸沙率，Qc為來水流量，J為比降，B為沖刷寬度，K為抗沖系數，其中B、K由西北水科所推薦B=100 m，K=180。由公式可見輸沙率與比降J的1.2次方成正比，即沖刷比降愈大，時段沖沙率愈大，排出的泥砂愈多。而比降與排沙洞進口高程密切相關，根據現有淤積情況，選擇了不同進口高程，采用1980年9月發生的一洪水過程進行沖刷實驗，不同進口高程排沙效果見表2。

表2 不同進口高程的排沙效果表

從表2可見:當進口底板高程為632.00 m時排沙效果最好，同時泄洪流量也較大，而洞長變化不大，故采用洞底板進口高程632.00 m。

排沙洞進水口采用喇叭口，頂板和邊墻順水流方向三面收縮的平底矩形斷面，頂板和邊墻采用橢圓曲線，對于頂板其曲線方程為X2/4.52+Y2/1.52=1，對于邊墻曲線方程為X2/4.52+Y2/1.1252=1。設計方案沒有設防渦設施，在水工模型實驗過程中，發現由于受到上游來水不均勻的影響，隨著流量的增加進口漩渦直徑及強度亦逐漸加大，并且產生間隙性吸氣漏斗旋渦，它不僅影響進水能力，而且會引起進口段局部產生負壓及閘門的震動和閘門槽的氣蝕破壞，因此結合水工模型需要在進水口設置消渦隔柵，在紅寺壩排沙洞設計時，設置了槽面面向水流的三根角鋼，間距20 cm，運行后，進水口前無貫通性吸氣漏斗旋渦產生，效果良好。

2.3 排沙洞結構設計

排沙洞要在排沙效果較佳的情況下同時達到泄量較大，故洞內采用明流形式泄流，以便在庫區內形成一定的槽庫容。進口段采用平坡方形進口形式，為有壓流，為了使泄空沖刷保持較大比降，一般不允許洞內雍水，因此有壓洞后接1:20陡坡。隧洞采用城門洞型式，斷面尺寸為寬×高=4.0×4.6 m，直墻高為 2.6 m，拱頂高 2.0 m，拱頂半徑 2.0 m。

排沙洞進口有壓洞采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度0.8 m。無壓洞采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度0.5 m。經水力計算，各斷面處計算流速均小于不沖流速20 m/s，滿足了抗沖要求，但考慮到泥砂磨蝕作用，洞內壁水深變化范圍內增加環氧砂漿抹面，增強抗磨性能。根據地堪資料，洞身段處于強風化區，洞身開挖襯砌完成后采用回填灌漿處理，灌漿范圍在拱頂中心角90°～120°以內，灌漿孔呈梅花型布置，孔距及排距取3.0 m，灌漿孔深入圍巖10 cm。對于防滲及排水設施，設計中考慮了排水孔，排水孔孔、排距3.0 m，入巖3.0 m。

2.4 排沙洞出口消能防沖設計

由于排沙洞出口地形條件有限，距離河道近，因此采用了擴散式消力池。起始寬度為4.0 m，擴散角8°，擴散率為1:0.140 5，漸變段長 7.2 m，坡比 1:4，擴散段末端寬度為6.0 m。根據排沙洞的運行情況，在高水位(650.5 m)運行時，需用閘門控制使下泄流量保持40 m3/s，此時出口流速最大 Vmax=12.12 m/s，陡槽末端水深 hmin=0.825 m，出口消能為最不利情況。經過水力計算躍后水深為4.305 m，水躍長度17.7 m，結合地形件，設計漸變段、池長共25.5 m。在模型實驗驗證過程中發現池長稍小，消能不徹底，提出將原設計消力池末端與下游河道連接的直坎變成1:2.0的反坡的寶貴意見，在設計時直接采用，達到了預期效果。

3 結語

紅寺壩水庫泄洪排沙洞于2004年投入運行，運行安全、管理方便，達到了設計的預期效果。在進行排沙洞等涉及復雜流態計算設計工作中，結合水工模型實驗，在設計中的排沙洞規模、進口貫通式旋渦及出口消能不徹底的方案擬定及處理措施上，取得了較好的效果。

［1］水利水電工程進水口設計規范.SL285-2003［M］.北京:中國水利水電出版社.2003.

［2］水工設計手冊第七卷.水電站建筑物［M］.北京:水利電力出版社.

［3］紅寺壩水庫除險加固工程初步設計報告.漢中市水利水電建筑勘測設計院.2003.

［4］紅寺壩水庫泄空排沙河工實驗報告.西北水科所.2003.

［5］紅寺壩水庫排沙洞泄流規模的論證.西北水科所.1991.