亭口水庫工程泄洪排沙洞水力設計

張 磊

（陜西水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 泄洪排沙洞工程概況

亭口水庫工程位于咸陽市長武縣境內涇河一級支流黑河下游，工程是以彬長礦區煤礦工業區及彬、長兩縣城鎮居民生活供水為主，兼顧減淤、發電的Ⅱ等大(2)型工程。水庫正常蓄水位為893.00m，總庫容2.43億m3。樞紐建筑物由大壩、泄洪排沙洞、溢洪道、輸水洞、壩后電站等五部分組成。泄洪排沙洞位于大壩右岸，靠近大壩壩肩布置，運行期承擔著水庫泄洪排沙的任務，施工期導流度汛。泄洪排沙洞在結構上采用導流、泄洪和水庫排沙一洞三用的布置型式。泄洪排沙洞洞身橫斷面為7.5×10.565m圓拱直墻型，設計洪水位下泄流量Q設=1075.8m3/s，校核洪水位下泄流量Q校=1129.1m3/s。

1.1 工程地質條件

泄洪排沙洞位于壩址右岸黃土梁上，進、出口分布有黑河三級階地。樁號0+000～0+234.32m洞室圍巖厚度16.2m～30.0m，為微風化礫巖及砂巖；巖層近水平，裂隙不發育，巖體完整，飽和抗壓強度Rb=20.0MPa～20.5MPa，圍巖類別為局部穩定性差的Ⅲ類；圍巖堅固系數f=3～4，單位彈性抗力系數KO=7.0MPa/cm～8.0MPa/cm。樁號0+234.32～0+260m洞室圍巖厚度7.7m～16.2m，為弱～微風化礫巖及砂巖；巖層近水平，裂隙不發育，巖體完整，飽和抗壓強度Rb=18.0MPa～20.5MPa，圍巖類別為Ⅲ～Ⅳ類；圍巖堅固系數f=2～4，單位彈性抗力系數KO=2.0MPa/cm～8.0MPa/cm，圍巖自穩時間短，可能會發生較大規模的變形破壞。樁號0+260～0+266m為出口明渠段：渠底基礎為微風化砂礫巖，承載力特征值fak=1800kPa～2500kPa；渠道兩側邊坡上部Q3風積黃土，結構松散，下部為強～弱風化砂礫巖。樁號0+266m～0+283.7m為挑流鼻坎段：地基巖性為弱～微風化砂礫巖。弱風化巖體質量類別為Ⅳ類，承載力特征值fak=1200kPa～2000kPa；微風化巖體質量類別為Ⅲ類，承載力特征值fak=1800 kPa～2500kPa。樁號0+283.7～0+292.7為護坦段，地基巖性為強風化砂礫巖，巖體承載力特征值 fak=500kPa～600kPa。

1.2 工程總體布置

泄洪排沙洞位于樞紐右岸緊靠大壩，由于運行期泄洪流速較高，洞線平面布置采用直線，洞軸線在平面上與壩軸線成90°夾角。整個泄洪排沙洞由進口放水塔、洞身段、出口明渠段、挑流鼻坎段、護坦段以及下游先鋒渠等部分組成，全長544.7m（洞水平投影），其中洞身段長260m。根據水庫泥沙物模試驗結果，結合實際地形情況，將排沙洞軸線選擇在靠近主河道的位置，運行排沙效果較好，終極庫容較大。平面布置圖如圖1所示，縱剖面如圖2所示。

圖1 泄洪排沙洞平面布置圖

樁號0-032.00～0+000.00段為放水塔，塔體由兩個矩形閘門井組成，檢修門槽及之后底板及側墻過水部位預埋不銹鋼板內襯，以滿足高流速抗沖耐磨需要，塔內布設事故檢修平板鋼閘門和弧形工作鋼閘門各一扇，孔口尺寸寬×高分別為7.0m×7.8m和7.0m×7.0m。

樁號0+000.00～0+260.00段為洞身段，總長260m，圓拱直墻斷面，斷面凈尺寸寬×高為7.5m×10.565m,洞底比降前240m為1/100，后20m為1/20，進出口底板高程分別為856m和852.6m。

樁號0+260.00～0+266.00段為出口明渠段，總長6m，矩形斷面，寬×高為7.0m×9.4m，比降 1/20。

樁號0+266.00～0+283.70段為復合型挑流鼻坎，長17.7m，底部反弧半徑R=27m，最大挑射角θ=34.651°，坎頂高程為857.055m，出口采用弧形擴散，平面圓弧半徑7.5m。右側為直邊墻，擴散角9.594°，斜長15.00m；左邊墻采用R=20m，θ=38.244°的圓弧進行擴散，邊墻頂高程為862.00m。底板中部開設分流槽，槽前寬度5.0m，末端斷面為梯形，上口寬4.0m，底寬2.5m。

圖2 泄洪排沙洞縱剖面圖

樁號泄0+283.70～泄0+292.70段為護坦段，長9m，寬31m，護坦頂高程851.80m，厚度1.0m，表面0.5m采用C40HF砼，底部C25砼，護坦末端采用鉛絲籠塊石護腳。

圖3 泄洪排沙洞水位～下泄流量關系曲線

2 建筑物等級及防洪標準

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）的有關規定，確定亭口水庫樞紐工程為Ⅱ等大(2)型工程。泄洪排沙洞工程按二級建筑物設計，抗震按6度設防。

按照《防洪標準》（GB50201-94）和《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）的規定，泄洪排沙洞按100年一遇洪水1075.8m3/s設計，2000年一遇洪水1129.1m3/s校核；出口消能防沖的洪水標準為50年一遇；施工導流為10年一遇洪水標準。

3 水力設計

3.1 泄流能力計算

泄洪排沙洞為半有壓短隧洞，泄流能力根據不同洞前水深，分別按底坎為寬頂堰的堰流和壓力孔流計算，堰流和壓力孔流的臨界值按下式計算：

式中：e——孔口高度；

H——孔口前水深（m）。

經計算，庫水位在856m～866m時，其泄流能力按底坎為寬頂堰的堰流計算，庫水位在866m～896.16m時其泄流能力按壓力孔流計算

堰流計算公式如下：

式中：Q——下泄流量（m3/s）；

m——流量系數，取m=0.35；

B——孔口寬度（m），取B=7.0m；

H——孔口前水深（m）。

壓力孔流計算公式如下：

式中：Q——泄流量（m3/s）；

m——流量系數，取m=0.9；

B——孔口寬度（m）；

e——孔口高度（m）；

H——孔口前水深（m）；

ε——水流垂向收縮系數，ε=1。

（1）施工導流期過流

導流期相應的洪峰流量為Q=1270m3/s，根據調洪計算，洞前水位864.70m。導流洞最大下泄流量Q＝281.40m3/s，經水力計算，洞內水深3.8m，洞內平均流速10.1m3/s。

（2）度汛期

截流后第一個汛期壩體的施工度汛由圍堰承擔，此時壩前水位為864.70m，導流洞的下泄流量Q＝281.40m3/s；第二個汛前壩體填筑高度已至壩頂。根據《水利水電施工組織設計規范》(SL303-2004)第3.2.16條規定，壩體臨時度汛標準為100～50年一遇洪水度汛標準。本工程采用100年一遇洪水度汛標準，其相應的洪峰流量為Q＝4030m3/s。此時壩體臨時斷面擋水，經調洪計算，壩前水位為872.40m，導流洞的下泄流量為Q＝651.90m3/s。

（3）運行期

經計算，在校核洪水位896.35m時泄洪排沙洞最大下泄流量Q=1129.1m3/s。泄洪排沙洞水位～下泄流量關系曲線見圖3。

通過模型試驗，設計方案在各種特征水位下的實測流量與設計流量對比，總體差異不大，滿足設計要求。

3.2 洞內流態及水面線

在初設階段對洞內水面線進行了計算，計算結果：在校核洪水泄量下，洞內最大摻氣水深為7.548m，洞身斷面直墻高度8.40m，凈空面積占隧洞斷面面積的21.5%，滿足《水工隧洞設計規范》（SL279-2002）規定的高速水流無壓隧洞摻氣水面以上的凈空要求。

經模型試驗驗證，泄洪洞斷面平均最大水深7.23m，摻氣后最大水深8.13m，不超過直墻高度8.4m，凈空面積占隧洞斷面面積的18%，滿足設計泄洪要求，洞身平均流速不超過26m/s，水流平順，校核洪水位弧門全開時沿程中線壓強為4.61kPa～9.63kPa，壓強較高，不存在負壓區，因此不需加設摻氣槽。

深孔閘門后洞內無壓流的流速較大，水流摻氣水深計算采用下面公式：

式中：ha——摻氣后的水深；

h、v、R——分別為摻氣前的水深、流速及水力半徑；

K——普 通 砼 取0.004～0.006，取0.005。

3.3 進口體型驗證

3.4 出口消能

模型試驗對可研階段出口設計體型、挑流流態、沖刷坑、河道出流總體驗證，主要問題有：①小流量過水不暢，發生回流、壅水；②挑流流態偏集中，水蛇摻合偏大，消能效果較差；③設計護坦范圍偏小，特別是兩側，由于回流淘刷，沖刷嚴重；④下游河道出流不暢。

經調整優化后的泄洪排沙洞出口采用底板反弧擴散式設分流槽鼻坎，經消能計算與模型試驗，最終確定的設計體型導流期小流量順暢下泄，泄洪時，挑流流態水蛇分散，挑距約60m，沖刷坑位于護坦下游30m處，距建筑物出口較遠，下游回流沖刷狀態有所改善，基本滿足設計要求。

3.5 高流速情況下抗空蝕設計

根據水工模型試驗泄洪排沙洞內最大流速為25m/s，為了防止高速水流對泄洪洞襯砌結構的空蝕破壞，在抗空蝕和抗沖磨方面分別采取如下措施：

（1）優化體型設計

通過分析、計算或比較流速和泄量相近的同類工程的經驗，選擇合適的體形尺寸，并經過水工模型試驗驗證泄洪洞在渲泄各種工況泄量時洞內過流面壓力分布正常且不產生超過混凝土允許的負壓力。

（2）控制水流邊壁平整度

泄洪排沙洞在高流速運行狀態下，混凝土內壁出現任何凸凹不平體都可能造成空蝕破壞，因此對洞內各個斷面特別是水流流速很高的部位要嚴格控制不平整度，嚴格按照規范規定執行。

（3）選用高強抗沖耐磨混凝土

在水工試驗的基礎上，參照《水工混凝土抗沖磨防空蝕技術規范》對泄洪建筑物適當部位選用HF高強耐磨混凝土以提高其抗空蝕耐磨性能，延長維修周期，提高工程運行安全度。

4 結語

亭口泄洪排沙洞在設計過程中通過水力學計算與水工模型試驗成果驗證，對存在的結構、體型不合理部分進行修改、優化，使各種水力流態下泄洪排沙洞進流、過流、消能狀態有較大改善，趨于合理，避免了高速水流對泄洪洞襯砌結構的空蝕破壞，保證了設計的可靠性。泄洪排沙洞自竣工以來，到目前一直安全運行。陜西水利

[1]水工混凝土結構設計規范(SL/T 191-96[S].

[2]楊宗仁，金盆水利樞紐泄洪洞水力設計簡介[J]，電網與清潔能源，2009年第1期.