有壓+無(wú)壓泄水形式在福溪水庫(kù)防洪能力提升中的應(yīng)用

劉 婷,孫 甜,張 冬

(1.中電建新能源集團(tuán)有限公司 華東分公司,杭州 310014;2.浙江大禹信息技術(shù)有限公司,杭州 310002;3.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,杭州 310002)

1 項(xiàng)目現(xiàn)狀

提升流域防洪能力的方法一般有“蓄、滯、分、泄”[1]。而對(duì)于已建水庫(kù)工程,可考慮增加預(yù)泄措施,從而提升其防洪能力。

福溪水庫(kù)位于浙江省樂(lè)清市仙溪鎮(zhèn)上游約5km的大荊溪上福溪支流中游,壩址集水面積39.17km2,始建于1959年。2010年除險(xiǎn)加固后,總庫(kù)容2 270×104m3,水庫(kù)樞紐工程包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪放空洞(現(xiàn)有D1.6～1.9m、進(jìn)口閘門(mén)井底高程191.944m的泄洪放空洞)、輸水隧洞、發(fā)電廠(chǎng)和升壓站等建筑物。現(xiàn)有泄洪放空洞作為放空水庫(kù)和預(yù)泄洪水用,不參與泄洪。泄洪放空洞出口設(shè)工作閘門(mén)一扇,孔口尺寸1.5m×2.0m(寬×高)。

根據(jù)浙江省水利廳《關(guān)于開(kāi)展大中型水庫(kù)防洪能力提升有關(guān)工作的通知》,提升水庫(kù)防洪能力是流域、區(qū)域防洪減災(zāi)的需要,也是適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展迫切需求和提高“兩個(gè)高水平”建設(shè)水利保障能力的重要手段。為了進(jìn)一步提高應(yīng)對(duì)各類(lèi)突發(fā)水雨情的預(yù)泄調(diào)度,進(jìn)一步提升預(yù)泄能力,為水庫(kù)防洪調(diào)度能力提升提供充足裕度,需新建預(yù)泄設(shè)施,經(jīng)復(fù)核,新建預(yù)泄設(shè)施需滿(mǎn)足水位225.31～228.31m之間保證泄流量200m3/s。

2 總體設(shè)計(jì)思路

采用“龍?zhí)ь^”[2]方式改建原導(dǎo)流洞為泄放洞,作為水庫(kù)預(yù)泄設(shè)施。在上游合適位置設(shè)置上平洞、閘門(mén)井及斜洞段,斜洞段與原有導(dǎo)流洞銜接;出口段適當(dāng)調(diào)整軸線(xiàn),并設(shè)置相應(yīng)的消能設(shè)施,從而形成完整的泄洪通道。

新建泄放洞總長(zhǎng)約327m(其中利用原導(dǎo)流洞118m,出口擴(kuò)挖段26m),主要包括進(jìn)口段(包括閘門(mén)井前平洞段)、閘門(mén)井段、上平洞段、斜洞段、原導(dǎo)流洞段及出口段。見(jiàn)圖1。

圖1 新建泄放洞布置示意圖(單位:m)

新建泄放洞進(jìn)口樁號(hào)范圍為泄0-075.31～泄0+000.00,底板高程208.70m,長(zhǎng)約75.31m。進(jìn)口采用巖塞爆破,設(shè)計(jì)巖塞長(zhǎng)度約7.5m,直徑5.0m,下設(shè)集渣坑。之后為新開(kāi)上平洞段,采用圓形斷面型式。隧洞采用C35W6F50砼襯砌,襯后洞徑5.4m。泄0-010.00～泄0+000.00為圓變方漸變段,由5.4m的圓洞變?yōu)?.3m×3.9m(高×寬)的方洞,以便與閘門(mén)井銜接。

閘門(mén)井段位于泄0+000.00-泄0+009.77。根據(jù)閘門(mén)結(jié)構(gòu)及啟閉設(shè)備布置要求,閘室段長(zhǎng)9.77m,寬6.30m。檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)孔凈尺寸為3.9m×4.3m(寬×高)。工作門(mén)后設(shè)壓坡段,樁號(hào)范圍為泄0+006.72～泄0+011.77,坡度1∶5,長(zhǎng)5m,此段為方洞型式,采用C35W6F50砼襯砌,襯后洞徑3.9m×4.3m～3.9m×3.3m(寬×高)。

壓坡后為上平洞段45.08m,坡度5%。其中,設(shè)漸變段10m,樁號(hào)范圍為泄0+011.77～泄0+021.77,由方洞變?yōu)槌情T(mén)洞,后接35.08m的平洞段和46.32m的斜坡段,隨后進(jìn)入原導(dǎo)流洞。平洞段襯后洞徑5.4m。

斜洞段位于泄0+056.85～泄0+096.73,坡比1.25:1,底高程范圍206.45～186.02m。本段斷面為城門(mén)洞型,襯后洞徑5.4m。

利用原導(dǎo)流洞段的樁號(hào)范圍為泄0+096.73～泄0+215.50,緊接泄0+215.50m～泄0+241.62m為出口擴(kuò)挖段約26m,末端做寬11.36m的挑流鼻坎,將水流挑入下游深潭。

3 水面線(xiàn)銜接計(jì)算

3.1 有壓洞壓力余幅驗(yàn)算

閘門(mén)井前為有壓洞段,需滿(mǎn)足壓力余幅要求[3]。新建泄放洞有壓段水流可視為均勻流,其水頭損失包含兩部分:沿程水頭損失和局部水頭損失[3],具體計(jì)算方法可參考《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279-2016)。

新建泄放洞有壓段計(jì)算結(jié)果如下:總水頭損失5.07m,則有壓洞段洞頂最小壓力水頭(最低預(yù)泄水位225.31m工況下)為225.31-(208.70+5.4)-5.07=6.14m>2m,滿(mǎn)足壓力余幅要求。

3.2 無(wú)壓洞水面線(xiàn)計(jì)算

閘門(mén)井后隧洞內(nèi)水流為無(wú)壓流,首先根據(jù)閘門(mén)后收縮斷面水深、能量方程[4]及明渠流量公式[5]確定上平洞的起始斷面水深、正常水深、臨界水深[6],進(jìn)而判斷其水面線(xiàn)類(lèi)型;再由能量方程推算上平洞段其他斷面水深,得到上平洞的水面線(xiàn)。同理,推算斜洞段、原導(dǎo)流洞段各斷面水深及水面線(xiàn)[7]。

閘孔后收縮斷面水深3.3m,即上平洞的起始斷面水深。

無(wú)壓洞洞內(nèi)正常水深計(jì)算公式:

式中:Q為洞內(nèi)流量,m3/s;A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m2;C為謝才系數(shù);R為水力半徑;i為縱坡。

無(wú)壓洞洞內(nèi)臨界水深(考慮為矩形斷面)計(jì)算公式如下:

式中:hk為臨界水深;q1為“龍?zhí)ь^”末端斷面單寬流量;g為重力加速度。

棱柱形明槽中的恒定漸變流[8],水深h的沿程變化率計(jì)算公式如下:

式中:h為某斷面水深;Q為斷面流量;n為糙率,混凝土襯砌取0.014。

水流摻氣水深[9]計(jì)算公式如下:

式中:h、hb為計(jì)算斷面的水深及摻氣后的水深,m;v為不摻氣情況下計(jì)算斷面的流速,m/s;ζ為修正系數(shù),可取1～1.4s/m,流速大者取大值。

根據(jù)該泄放洞的工作條件,設(shè)計(jì)工況取為以下3種:①預(yù)泄工況,水位范圍225.31～228.31;②上游為設(shè)計(jì)洪水位工況(233.11m);③上游為校核洪水位工況(234.36m)。

各工況上平洞段始端水深計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 上平洞段始端水深計(jì)算成果表

由于h0

表2 斜洞段始端水深計(jì)算成果表

由于h0

表3 下平洞段始端水深計(jì)算成果表

由于h1

1) 上平洞段水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知,當(dāng)泄放洞參與調(diào)洪,上游遭遇最高水位為校核洪水位時(shí),最大下泄流量為261m3/s,上平洞內(nèi)最大摻氣水深為3.88m。而上平洞襯后洞徑為5.4m,洞內(nèi)水面上凈空為洞身面積的22.1%(>15%),且洞內(nèi)水面上凈空1.52m(>0.4m),其余工況洞內(nèi)水面上凈空面積均大于洞身面積的15%(且水面上凈空大于0.4m),因此上平洞在各工況下均滿(mǎn)足無(wú)壓流要求。

2) 斜洞段水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 斜洞段各斷面水深計(jì)算成果表

由表5可知,當(dāng)泄放洞參與調(diào)洪,上游遭遇最高水位為校核洪水位時(shí),最大下泄流量為261m3/s,斜洞段內(nèi)最大摻氣水深3.71m。而斜洞段襯后洞徑為5.4m,洞內(nèi)水面上凈空為洞身面積的26.5%(>15%),且洞內(nèi)水面上凈空為1.69m(>0.4m),其余工況下洞內(nèi)水面上凈空面積均大于洞身面積的15%(且水面上凈空大于0.4m),因此斜洞段在各工況下均滿(mǎn)足無(wú)壓流要求。

3) 下平洞段水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 下平洞段各斷面水深計(jì)算成果表

由表6可知,當(dāng)泄放洞參與調(diào)洪,上游遭遇最高水位為校核洪水位時(shí),最大下泄流量為261m3/s,下平洞內(nèi)最大摻氣水深為2.678m。而下平洞襯后洞徑為5.4m,洞內(nèi)水面上凈空為洞身面積的48.5%(>15%),其余工況下洞內(nèi)水面上凈空面積均大于洞身面積的15%,因此下平洞在各工況下均滿(mǎn)足無(wú)壓流要求。

4)洞內(nèi)水頭與洞頂或邊墻頂?shù)年P(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 洞內(nèi)水頭(或水面線(xiàn))與洞頂(或邊墻頂高程)關(guān)系曲線(xiàn)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于水力學(xué)原理,結(jié)合水庫(kù)預(yù)泄要求,改建原有導(dǎo)流洞為泄放洞,作為水庫(kù)預(yù)泄設(shè)施。通過(guò)設(shè)置合理的閘孔尺寸和底板高程,在滿(mǎn)足泄流量的要求下,使泄放洞形成閘前有壓短洞+閘后無(wú)壓洞的泄流型式。結(jié)果表明,泄放洞在設(shè)計(jì)工況下洞內(nèi)水面線(xiàn)銜接良好,各洞段水流流態(tài)滿(mǎn)足要求。

該泄水形式應(yīng)用于福溪水庫(kù),將原導(dǎo)流洞“變廢為寶”,在盡可能節(jié)約投資的情況下提升了水庫(kù)預(yù)泄能力,為水庫(kù)防洪調(diào)度能力提升提供裕度。