剛果（金）布桑加水電工程施工導(dǎo)流水力計算

呂曉騰，郭 強(qiáng)

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 工程概況

布桑加水電工程主要由水庫、攔河壩、引水發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)電廠房組成。攔河壩位于Lua1aba河上，發(fā)電廠房為地下廠房，引水隧洞將Lua1aba河水引至發(fā)電廠房，發(fā)電尾水通過尾水隧洞和尾水渠流入主河道。

攔河壩施工采用隧洞導(dǎo)流方式，上下游圍堰擋水，引水隧洞進(jìn)口和攔河壩均位于上下游圍堰形成的基坑之內(nèi)。

施工導(dǎo)流分為2個階段：階段1，原河床過流，施工導(dǎo)流隧洞，此間導(dǎo)流隧洞施工防洪標(biāo)準(zhǔn)為全年5年一遇洪水，洪峰流量為608.0 m3/s；階段2，河道截流，截流標(biāo)準(zhǔn)為截流時段頻率10%旬平均流量162 m3/s。截流完成后修筑上下游圍堰，河水由階段1 建成的導(dǎo)流隧洞泄流，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為全年10年一遇洪水，洪峰流量673.0 m3/s，壩體攔洪度汛標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為799.0 m3/s，截流初定為7月上旬，截流流量采用10年一遇7月上旬旬平均流量139.0 m3/s。

地下廠房尾水根據(jù)布置情況需預(yù)留巖坎，尾水施工按照5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)其洪峰流量為750.96 m3/s，廠房上游存在支流，因此該處流量需考慮支流及主流的流量，此流量大于主河道10年一遇流量。該處施工預(yù)留巖坎擋水兼左岸進(jìn)場道路，待施工完成后將巖坎爆除。

導(dǎo)流隧洞布置在河道左岸，為便于截流和方便施工，經(jīng)過方案比較，斷面采用直墻圓拱型斷面，襯砌后洞底寬度為7.0 m、高8.5 m，直墻高6.0 m，中心角142°，拱半徑3.7 m。Ⅲ類圍巖導(dǎo)流洞襯砌厚度為0.6 m，Ⅳ類圍巖導(dǎo)流洞襯砌厚度為0.8 m。支護(hù)措施采取噴錨支護(hù)，錨桿長度4 m，Ⅲ類圍巖間排距1.5 m，Ⅳ類圍巖間距1.0 m，噴混凝土厚度10 cm。導(dǎo)流隧洞出口高程按照10年一遇水位標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，為滿足導(dǎo)流隧洞封堵和蓄水要求，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口設(shè)置封堵閘門。

進(jìn)口底高程763.18 m，出口底高程761.00 m，洞長435.83 m，洞底坡降0.005。

2 水力學(xué)計算

2.1 計算目的

本計算主要是對攔河壩施工導(dǎo)流階段2（河道截流階段及施工期隧洞導(dǎo)流階段）導(dǎo)流隧洞的泄流計算，其內(nèi)容主要包括：

（1）截流時段上游水位計算，以確定截流戧堤頂高程。

（2）設(shè)計洪水時上下游水位計算，以確定上下游圍堰頂高程。

（3）壓坡線計算及流態(tài)分析，以驗證泄流能力計算的合理性，并為隧洞襯砌設(shè)計提供參考。

（4）設(shè)計度汛洪水時上下游水位計算，壩體擋水情況下，以確定主壩汛前混凝土澆筑及接縫灌漿施工高程。

（5）根據(jù)水力計算結(jié)果，確定導(dǎo)流洞下閘蓄水及封堵水頭。

2.2 計算方法

考慮到Lua1aba 河河道坡降陡、庫容小、基本沒有調(diào)蓄作用，不再進(jìn)行調(diào)洪演算，直接根據(jù)泄流量確定圍堰的高程。

判斷導(dǎo)流洞在各階段設(shè)計流量下的流態(tài)，根據(jù)流態(tài)采用相應(yīng)的公式計算其泄流量。其中，無壓流計算采用堰流有關(guān)計算方法，半有壓流計算采用無壓流與有壓流泄量平緩過渡的現(xiàn)象推求。

2.3 計算過程

2.3.1 流態(tài)判別

流態(tài)判斷是正確選擇計算模式和計算公式的前提。據(jù)前所述，根據(jù)計算目的只需對隧洞通過一定流量時的流態(tài)進(jìn)行判斷，從而選擇合適的計算方法和公式，進(jìn)行泄流能力計算。

（1）流態(tài)界限。明流至半有壓流、半有壓流至有壓流的界限，常用比值H/d 來判斷，H為自隧洞進(jìn)口底板起算的上游水深，d為洞高。

明流至半有壓流的界限除與進(jìn)口水深和洞徑有關(guān)外，還與隧洞進(jìn)口體形、引渠斷面、隧洞縱坡等諸多因素有關(guān)，難以精確區(qū)分。對于陡坡隧洞，工程中常用H/d=1.25 作為無壓流至半有壓流的界限，即當(dāng)H/d＜1.25為無壓流、H/d＞1.5為有壓流。

（2）無壓流。首先將隧洞內(nèi)的水流視為足夠長度的明渠流，當(dāng)通過設(shè)計流量時，臨界水深（hk）計算公式為：

式中：Q 為設(shè)計流量（m3/s）；Bk為臨界水深時水面寬度（m）；Ak為臨界水深時過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；α為動能修正系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

計算通過試算法，可求得截流流量139 m3/s 時臨界水深hk＝3.43 m。

正常水深（h0）根據(jù)明渠均勻流公式計算：

式中：Q為設(shè)計流量（m3/s）；ω為過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；C 為謝才系數(shù)，，R 為水力半徑（m），，n 為糙率，X 為濕周（m）；i 為隧洞底坡，取i=0.005。

經(jīng)試算，求得截流流量139 m3/s 時的正常水深h0＝2.97 m。

從以上計算可以看出，當(dāng)隧洞通過截流流量時導(dǎo)流隧洞明渠均勻流正常水深低于臨界水深，為陡坡隧洞。

陡坡隧洞出口為非淹沒出流。無壓流計算公式為：

式中：Q 為下泄流量（m3/s）；H0為上游水面與隧洞出口底板高程差（H）及上游行進(jìn)流速水頭之和（m），取H0≈H；m為流量系數(shù)；sσ為淹沒系數(shù)；b為隧洞過水?dāng)嗝鎸挾龋╩）；g為重力加速度（m/s2）。

緩坡長隧洞出口為非淹沒出流。其計算公式為：

PIIE：美聯(lián)儲貨幣政策立場表明美國經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好。5月2日，彼得森國際經(jīng)濟(jì)研究所發(fā)文稱，鑒于當(dāng)前通脹率接近目標(biāo)值和低失業(yè)率，美國將暫不調(diào)整貨幣政策，但今明兩年很可能將采取大規(guī)模財政刺激措施。FOMC會議紀(jì)要顯示，美聯(lián)儲或加快加息進(jìn)程，并可能在2018年12月份加息。

式中：Q 為下泄流量（m3/s）；φ為流速系數(shù)；he為進(jìn)口斷面處的水深（m），按水面線推算；Ae為進(jìn)口處過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；H0為上游水面與隧洞出口底板高程差（H）及上游行進(jìn)流速水頭之和（m），取H0≈H；g為重力加速度（m/s2）。

（3）有壓流。有壓隧洞出口為非淹沒出流。其計算公式為：

式中：Q為下泄流量（m3/s）；μ為流量系數(shù)；A為隧洞出口斷面面積（m2）；T0為上游水面與隧洞出口底板高程差（T）及上游行進(jìn)流速水頭之和（m）；hp為隧洞出口斷面水流的平均勢能（m）；g為重力加速度（m/s2）。

經(jīng)計算，得出設(shè)計流量673 m3/s時為有壓流，對應(yīng)的上游水深為22.4 m，水位為785.6 m；對應(yīng)的度汛流量799 m3/s 時上游水深為29.5 m，水位為792.67 m。

從以上計算可以看出，當(dāng)隧洞通過截流流量時，采用無壓流公式計算得到的上游水位滿足H/d＜1.25，均視為明流；當(dāng)隧洞通過設(shè)計流量及度汛流量時滿足H/d＜1.5，視為有壓流。

2.3.2 導(dǎo)流洞泄流曲線

根據(jù)上述無壓流及有壓流計算，無壓流與有壓流之間階段將產(chǎn)生明滿流交替的半有壓流狀態(tài)，此階段采用線性插值，得到水位—泄量關(guān)系曲線，如圖1所示。

2.3.3 導(dǎo)截流設(shè)計

圖1 水位一泄量關(guān)系

根據(jù)上述導(dǎo)流隧洞水位—流量關(guān)系曲線，查得截流水位為769.6 m，考慮1.40 m 超高，截流戧堤頂高程為771.00 m。

（2）上游圍堰。根據(jù)上述導(dǎo)流洞水位—流量關(guān)系，即可得到導(dǎo)流洞通過任意流量時對應(yīng)的上游水位。因此，在10年一遇導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)情況下，上游水位為785.6 m，則上游圍堰頂高程可根據(jù)此水位確定。考慮到安全超高0.5 m、風(fēng)浪爬高1.0 m，上游圍堰頂高程確定為787.1 m。

上游圍堰采用土石圍堰，圍堰高35 m，頂寬10 m，在高程771 m 處設(shè)置馬道，馬道寬3.0 m，馬道上部邊坡1∶2，下部邊坡1∶1.5。

圍堰防滲馬道下部采用高噴防滲，上部接土工膜防滲。

（3）下游圍堰。由于在導(dǎo)流洞通過設(shè)計流量時下游圍堰斷面天然河床的水位雖然并不是圍堰修建后的水位，但以此水位來確定下游圍堰高程其精度是足夠的。由于不考慮調(diào)蓄作用，通過導(dǎo)流洞的流量為設(shè)計流量673 m3/s ，相應(yīng)圍堰處的水位均為761.2 m，下游圍堰高程可取為762.7 m。

下游圍堰為土石圍堰，圍堰高8.5 m，頂寬10 m，上下游邊坡1∶2。圍堰防滲采用高壓旋噴防滲。

（4）壩體施工期臨時度汛。從第2年6月下旬河道截流到第4年6月上旬導(dǎo)流隧洞下閘封堵，導(dǎo)流時段共23 個月，經(jīng)過2 個汛期。第1 個汛期圍堰剛填筑完成，基坑處于壩基開挖階段，第2個汛期壩體澆筑高程超過圍堰頂高程，需考慮壩體臨時度汛，根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計規(guī)范》（SL303－2004）的規(guī)定，取臨時度汛標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)洪峰流量799 m3/s，根據(jù)上述水力計算結(jié)果可知相應(yīng)上游水位為792.67 m。因此，壩體臨時度汛高程需超過792.67 m，考慮到一定超高，壩體在第2個汛期來臨之前需澆筑至795 m以上。

（5）下閘蓄水及封堵。①下閘蓄水。根據(jù)施工總進(jìn)度安排，導(dǎo)流隧洞下閘時間安排在第4年6月上旬進(jìn)行，為方便下閘采用整體鋼閘門。封堵閘門提前安裝就位并鎖定；導(dǎo)流隧洞下閘標(biāo)準(zhǔn)選擇為6月下旬10%的旬平均流量Q= 170.3 m3/s，根據(jù)上述計算水位—流量關(guān)系可知上游最高水位為769.81 m，下閘水深為6.63 m。導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室施工道路在圍堰擋水后失效，啟閉機(jī)需在圍堰擋水前安裝完成，啟閉機(jī)平臺按照施工期度汛標(biāo)準(zhǔn)50年一遇設(shè)置，因此平臺高程設(shè)置為784.18 m，可滿足啟閉機(jī)下閘需要。②導(dǎo)流隧洞封堵。根據(jù)施工總進(jìn)度安排，導(dǎo)流隧洞封堵在第4年6—8月進(jìn)行，施工期為3個月，閘門擋水標(biāo)準(zhǔn)為導(dǎo)流洞施工時段內(nèi)水庫按75%保證率蓄水遭遇20年一遇洪水，閘門擋水時段為6—8月，閘門設(shè)計擋水水位為769.81 m，水頭為114 m。經(jīng)計算，封堵體長度為32 m。

3 結(jié)語

根據(jù)工程規(guī)模的大小及工期的長短等情況不同，導(dǎo)流洞的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)也不同。導(dǎo)流洞在運行期間，洞內(nèi)過水流態(tài)情況多變，不同時間段洞內(nèi)的流態(tài)也不同，有時為無壓流，有時為有壓流，也會出現(xiàn)明滿流交替的半有壓半無壓流狀態(tài)。因此，施工導(dǎo)流水力計算需同時考慮洞內(nèi)為無壓流及有壓流的情況，而無壓流與有壓流之間的過渡段可以取有壓流和無壓流界限間的直線插值，能滿足一般工程的設(shè)計要求。

因此，根據(jù)不同的流量、流態(tài)及對應(yīng)計算出的水位，可分別得出施工中各個階段諸如截流、導(dǎo)流、度汛等時期所需的導(dǎo)流建筑物設(shè)計高程以及施工各時期所需施工進(jìn)度要求。

[1]清華大學(xué)水力學(xué)教研組.水力學(xué)（1980年修訂版）[M].北京：人民教育出版社，1980.

[2]美國陸軍工程兵團(tuán)著，長江水力水電科學(xué)研究院譯.水力設(shè)計準(zhǔn)則（第一卷）[M].北京：水利出版社，1982.

[3]武漢水力水電學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006.