甘肅省張家川富川水源工程水庫泄洪洞水力設(shè)計(jì)及優(yōu)化

楊華娟

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000）

1 概況

富川水源工程位于甘肅省天水市張家川回族自治縣恭門鎮(zhèn)境內(nèi)的牛頭河一級(jí)支流樊河上游，是為解決農(nóng)村安全人飲供水而興建的水源工程，水庫總庫容498.00萬m3，屬Ⅳ等小（1）型工程。工程主要由砼面板堆石壩及溢洪道、泄洪洞等主要建筑物組成，最大壩高71.0 m。本樞紐工程防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水頻率為30年一遇，洪峰流量為76.8 m3/s，設(shè)計(jì)洪水位1944.7 m；校核洪水頻率為300年一遇，洪峰流量為199 m3/s，校核洪水位1945.8 m；消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì),洪峰流量為63.4 m3/s。泄洪洞為本工程的主要泄洪建筑物。

2 泄洪洞水力設(shè)計(jì)

2.1 泄洪方式

本工程泄洪系統(tǒng)布置采用表孔和深孔聯(lián)合泄洪的方式,表孔泄洪方式主要布置了左岸開敞式溢洪道,深孔泄洪主要布置于右岸導(dǎo)流泄洪沖沙洞。左岸溢洪道堰頂高于設(shè)計(jì)洪水位，設(shè)計(jì)洪水位下不參與泄洪,校核洪水位下溢流堰參與泄洪流量25.8 m3/s，堰頂單寬流量2.15 m3/s，因其泄流量小，溢洪道的功能主要作非常溢洪道使用。泄洪洞運(yùn)行在校核洪水下為全開狀態(tài)，其它均為局部開啟。在此重點(diǎn)論述泄洪洞的水力設(shè)計(jì)。

2.2 泄洪洞水力設(shè)計(jì)

泄洪沖沙洞置于右岸山體中，由進(jìn)口段、閘室段、洞身段、出口工作閘室段及挑流消能段等組成。泄洪洞為有壓洞，進(jìn)口段及閘室段為2.9 m×2.9 m的矩形斷面，洞身段為洞徑2.9 m的圓形斷面，長(zhǎng)度217.2 m，底坡1/29，出口閘室段為2.7 m×2.7 m的矩形斷面，洞出口設(shè)挑流鼻坎段，長(zhǎng)6.5 m，反弧半徑25 m，挑射角14°。整體布置進(jìn)口高程1904.5 m，出口高程1882.7 m，進(jìn)出口落差21.8 m。

泄洪洞洞前流態(tài)判別及計(jì)算參照《水力計(jì)算手冊(cè)》[1]中關(guān)于隧洞水力計(jì)算相關(guān)公式，首先根據(jù)隧洞洞前水深進(jìn)行流態(tài)判別，對(duì)于陡坡隧洞，可根據(jù)以下公式進(jìn)行判別：

H/a＜1.2 無壓流

1.5 ＞H/a＞1.2 半有壓流

H/a＞1.5 有壓流

式中：H為以隧洞進(jìn)口底板高程起算的洞前水深，m；a為洞高，m。

本工程洞高2.9 m，即當(dāng)洞前水深H＜3.48 m時(shí)隧洞為無壓流，無壓流按照堰流公式計(jì)算；洞前水深3.48 m＜H＜4.35 m時(shí)為半有壓流，當(dāng)洞前水深H＞4.35 m時(shí)隧洞為有壓流，半有壓流和有壓流均可采用以下公式計(jì)算其泄流能力：

式中：μ為流量系，經(jīng)計(jì)算為0.548；ω為隧洞出口斷面面積，7.29 m2；T0為上游水面與隧洞出口底板高程的差，m；hp為隧洞出口斷面水流的平均單位勢(shì)能，m。

根據(jù)以上公式計(jì)算,泄洪隧洞出口閘孔全開時(shí)，校核洪水位1945.8m時(shí)，洞進(jìn)口最大水頭63.1m，最大泄流量為132.65m3/s，其水力計(jì)算流量系數(shù)為0.529 m3/s，洞出口斷面壓坡線水頭為38.7 m。

2.3 泄洪洞出口消能設(shè)計(jì)

泄洪洞出口流速20 m/s,挑流鼻坎單寬流量48 m3/s，設(shè)計(jì)選用了挑流消能。在設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)置了擴(kuò)散段使水流先行擴(kuò)散，以減少單寬流量，為了避免擴(kuò)散時(shí)引起空蝕，對(duì)擴(kuò)散角經(jīng)過計(jì)算認(rèn)為當(dāng)不大于6.8°時(shí)，可滿足要求。設(shè)計(jì)選用3.434°，擴(kuò)散段長(zhǎng)6.5 m，始末寬度為2.70 m和3.48 m。在校核洪水位工況下，采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范》[2]中附錄A.4公式進(jìn)行計(jì)算結(jié)果，挑流鼻坎反弧半徑25 m，挑角14°，最大挑距41.15 m，最大沖刷坑深度13.93 m。

3 水工模型試驗(yàn)

由于本工程泄洪洞泄洪能力對(duì)水庫的特征水位有重要影響，進(jìn)而會(huì)影響水工建筑物的規(guī)模確定，同時(shí)泄洪洞下游地形條件復(fù)雜，設(shè)計(jì)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的挑流參數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算，因此需要根據(jù)模型試驗(yàn)進(jìn)一步確定計(jì)算參數(shù)。水工模型試驗(yàn)委托西北農(nóng)林科技大學(xué)進(jìn)行，模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)、制作，根據(jù)試驗(yàn)要求模型長(zhǎng)度比尺Lr=40，流量比尺Qr=Lr5/2=10119.3，流速比尺Vr=Lr1/2=6.325，時(shí)間比尺Tr=Lr1/2=6.325，糙率比尺nr=Lr1/6=1.849。通過試驗(yàn)確定以下事項(xiàng)：①研究泄洪洞在各種工況和開度下的過流能力，率定流量系數(shù)；②研究泄洪洞在各種泄流工況下的挑距、沖坑形態(tài)，下游河床流速分布及沖刷情況，以確定合理的出口消能形式。

3.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)論及存在問題

（1）泄洪洞泄流

試驗(yàn)首先根據(jù)原設(shè)計(jì)方案制作水工模型進(jìn)行試驗(yàn)，校核洪水位1945.80 m弧門全開時(shí)，下泄流量試驗(yàn)率定結(jié)果為150 m3/s,率定流量系數(shù)為0.597,較理論計(jì)算結(jié)果大。設(shè)計(jì)及其以下洪水，泄洪洞為局開情況，隧洞洞身為全壓力狀態(tài)，壓力為大的正壓；校核洪水位時(shí)閘門全開，泄洪洞閘室段出口頂部局部出現(xiàn)小負(fù)壓。

（2）下游消能防沖問題

試驗(yàn)對(duì)原方案校核洪水情況下游消能情況進(jìn)行了測(cè)試，泄洪洞原設(shè)計(jì)挑流鼻坎體型向兩側(cè)對(duì)稱擴(kuò)散，而出口下游兩岸開挖情況完全不同。右岸布置有上壩公路和取水管道，其開挖受到限制。同時(shí)由于泄洪水頭較高，出口水舌平均流速約為20 m/s，右側(cè)水舌沖砸于右岸開挖岸坡上，未能反映下游沖刷的實(shí)際情況，對(duì)下游右岸岸坡穩(wěn)定非常不利。挑流坎試驗(yàn)和體型見圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)水流挑流水舌形態(tài)及鼻坎設(shè)計(jì)圖

3.2 模型試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)成果的優(yōu)化

（1）泄洪洞泄流及負(fù)壓?jiǎn)栴}

原設(shè)計(jì)主要是考慮出口斷面面積對(duì)泄流能力影響較大，因此采用了（2.7 m×2.7 m）矩形閘室出口斷面面積。其頂板和底板及左右墻較隧洞洞徑有所減小，但出口在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了負(fù)壓，分析認(rèn)為泄洪洞洞身D=2.9 m，面積6.6 m2；圓變方后閘室過水?dāng)嗝妫?.7 m×2.7 m）面積為7.29 m2，雖相比洞徑有所減小，但出口閘室段斷面面積增大了10%，導(dǎo)致隧洞出口出現(xiàn)了負(fù)壓。為提高壓坡段壓強(qiáng)，使各運(yùn)行工況洞出口頂部分均保持正壓，合理的形式應(yīng)不僅保證隧洞出口處斷面尺寸為漸縮式，同時(shí)應(yīng)保證出口段包括閘室在內(nèi)的斷面面積也應(yīng)為漸縮式。因此實(shí)驗(yàn)建議對(duì)泄洪洞出口工作閘室段體型進(jìn)行修改：壓坡段水平長(zhǎng)度及孔口寬度不變，孔口高度壓縮為2.4 m，即孔口尺寸調(diào)整為2.7 m×2.4 m。

試驗(yàn)對(duì)泄洪洞的泄流能力重新進(jìn)行了率定，在校核洪水位1945.80 m，泄洪洞弧門全開時(shí)，下泄流量試驗(yàn)率定結(jié)果為139 m3/s，對(duì)應(yīng)流量系數(shù)為0.622。優(yōu)化修改縮小了閘室出口斷面面積，但由于實(shí)驗(yàn)較計(jì)算流量系數(shù)大，因此仍能滿足原設(shè)計(jì)對(duì)下泄能力的要求，因此修改是合理的。

表1 修改后泄洪能力試驗(yàn)率定結(jié)果與原設(shè)計(jì)方案比較

（2）對(duì)泄洪洞出口挑流坎型式的修改

原設(shè)計(jì)泄洪洞出口水舌沖砸于岸坡坡腳，未能反應(yīng)水舌真實(shí)形態(tài)，泄洪洞出口水舌集中，主流入水后俯沖下潛后水流頂沖回淘對(duì)岸，左側(cè)形成大的回流圈，對(duì)河床進(jìn)行淘刷。優(yōu)化修改根據(jù)下游地形因勢(shì)利導(dǎo)，利用邊導(dǎo)墻對(duì)水流方向進(jìn)行調(diào)整，主要對(duì)鼻坎左右邊墻及底板進(jìn)行體型調(diào)整，通過不斷實(shí)驗(yàn)修改，最終挑坎體型為，平底板型式，起始斷面為矩形，左右邊墻均為圓弧，右側(cè)角加圓弧扭面，出口斷面加貼角，斜度1∶0.85，右側(cè)墻高4 m，左側(cè)墻高2.5 m。

體型修改后，校核洪水1945.80 m時(shí)泄洪洞出口水舌橫向擴(kuò)散充分，相對(duì)均勻，主流最大挑距為50.9 m，正常蓄水位1944.7 m時(shí)遇設(shè)計(jì)3.33%、5%及10%洪水情況泄洪洞出口水舌形態(tài)最大挑距分別為76.5 m、78.1 m和81.4 m。隨著泄量的減少，挑距越來越遠(yuǎn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化體型設(shè)計(jì)洪水及其以上頻率洪水?dāng)U散消能效果好，10%及其以下洪水小開度運(yùn)行時(shí)水舌形態(tài)較好，缺點(diǎn)是落水點(diǎn)距對(duì)岸坡腳近。對(duì)此，僅需在工程建成后根據(jù)實(shí)際沖刷情況對(duì)岸坡及坡腳進(jìn)行防護(hù)處理。優(yōu)化后體型和試驗(yàn)見圖2。

圖2 優(yōu)化后水流挑流水舌形態(tài)及鼻坎設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)語

本次泄洪洞設(shè)計(jì)為了保證泄洪洞的泄流能力，對(duì)出口閘室段斷面面積未進(jìn)行縮減，引起洞出口處出現(xiàn)負(fù)壓，通過模型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隧洞泄洪能力較理論計(jì)算具有一定的超泄能力，據(jù)此對(duì)洞出口控制閘室斷面面積進(jìn)行了縮減，在滿足隧洞泄流能力要求的前提下，解決了洞出口負(fù)壓?jiǎn)栴}，因此在設(shè)計(jì)時(shí)洞出口采用漸縮斷面，則在閘室控制段仍應(yīng)滿足斷面面積漸縮的要求。

泄洪洞出口挑流鼻坎，下游地形對(duì)挑流消能形成條件具有重大影響，進(jìn)行挑流鼻坎設(shè)計(jì)時(shí)其體型應(yīng)因勢(shì)利導(dǎo)，不拘泥于傳統(tǒng)型式，可充分利用邊墻對(duì)水流的束縛和導(dǎo)向作用，使水舌避開不利條件，減少對(duì)下游岸坡的沖刷破壞，達(dá)到工程經(jīng)濟(jì)可靠的目的。