堰型對溢洪洞進口段設計影響的研究

薛文斌XUE Wen-bin；李宛東LI Wan-dong；杭炯炯HANG Jiong-jiong

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001）

1 工程概況

西南地區某水庫擴建工程，開發任務以灌溉、鄉村供水為主，水庫總庫容565 萬m3，興利庫容426 萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規模小（1）型，主要建筑物級別為4 級，包括擋水建筑物、泄水建筑物、取水放空建筑物（兼做導流洞）等，大壩為粘土心墻石渣堆石壩，最大壩高52m。

2 泄水建筑物型式選擇

對于土石壩壩型，一般不容許從壩身溢流，需要在壩體以外的岸邊或者埡口處建造岸邊溢洪道或開挖泄水隧洞[1]。開敞式岸邊溢洪道可不設閘門控制，具有泄流能力強、運行操作簡便等優點，但本工程左岸為一處古滑坡體，溢洪道布置時宜避開；如在右岸布置泄水隧洞，可減少土石方開挖和邊坡防護工程量，同時為了兼顧運行期管理需要，設計采用了溢洪洞方案，控制段采用開敞式溢流堰，泄槽采用無壓流的圓拱直墻斷面型式。

3 溢洪洞設計

結合現狀地形、地質條件，隧洞軸線為曲線布置，由進口段（控制段和漸變段）、洞身段、挑流消能段及護坦五部分組成。其中：控制段為開敞式無閘控制堰式進水口；為縮小隧洞進口尺寸，后接明渠式漸變段；洞身段采用圓拱直墻斷面，主要為Ⅳ~Ⅴ類圍巖，采用鋼筋混凝土襯砌；溢洪洞出口距離樞紐區建筑物及居民區較遠，也無露天電氣設備、輸電線路及交通道路，無明顯霧化影響，出口采用挑流消能。

根據本工程溢洪洞的運行要求，溢洪洞擋水水位為正常蓄水位，滿足水庫興利要求，并能保障安全下泄設計、校核洪水。確定溢洪洞進口溢流堰堰頂高程為正常蓄水位901m，設計洪水標準30 年一遇，相應洪水位903.05m，下泄流量135m3/s；校核洪水標準200 年一遇，相應洪水位903.86m，下泄流量225m3/s。如圖1 所示。

圖1 溢洪洞縱斷面圖

4 堰型對進口段布置的影響

溢洪道進口段是溢洪道的龍頭，與控泄流量、保證下游泄槽的流態有著直接關系，在設計時應給予高度重視[2]。WES 型實用堰較寬頂堰、駝峰堰等堰型流量系數大，可有效縮小溢流堰堰寬，但堰后銜接為隧洞泄流，過水斷面寬度逐漸減小，堰后漸變段與洞身段坡度變化較大，為避免在洞內出現明滿流交替，以防止引起振動、空蝕等不利流態，確定合理的漸變段長度尤為重要，同時為了減少靠山側的開挖高度，減少石方開挖和邊坡支護工程量，在本次設計過程中，針對不同堰型，對各自的泄流能力、流態以及其堰后的漸變段長度進行了分析研究。

4.1 泄流能力分析

本次對常用的WES 實用堰、駝峰堰和寬頂堰三種堰型，在相同的下泄流量前提下，對堰寬、堰長進行計算。

①寬頂堰、駝峰堰：

②WES 實用堰：

式中：Q—流量，m3/s；B—總凈寬，m；b—單孔寬度，m；n—閘孔數目；H0—計入行進流速水頭的堰上總水頭，m；m—二維水流WES 流量系數，查詢規范查得；c—上游堰坡影響修正系數，上游鉛直；ε—閘墩側收縮系數；ζ0、ζk—中墩、邊墩形狀系數，邊墩取0.4，中墩取0.25；σs—淹沒系數，1.0。

各種堰型長度可按下式計算：

③WES 實用堰：

堰頭采用3 圓弧曲線；堰后面曲線為：x1.85/（2×2.860.85）=y。

各堰型相同下泄流量下堰寬及堰長如表1 所示。

表1 各堰型堰寬、堰長計算結果

根據計算結果，WES 實用堰堰長較長，但堰寬最小。由于溢洪洞進口右岸側為現狀道路，且無替代路線，因此選擇WES 實用堰對現狀影響最小。

4.2 流態分析

溢洪洞進口溢流堰與洞身泄槽段泄水寬度相差較大，過堰水流需較大幅度橫向收縮，且水流過溢流堰后轉變為急流，流速增大，漸變段內流態邊界條件較復雜[3]。根據水面線分析，水流過堰后其水流流態主要受漸變段坡度、隧洞坡度、漸變段收縮角度等因素的影響，由于漸變段坡度相比于堰面曲線較緩，因此不可避免水流會呈一定程度的雍高；而為盡量減小隧洞尺寸，減小洞內開挖量及隧洞襯砌工程量，漸變段底寬呈橫向收縮，也會形成局部范圍水流的雍高。

WES 實用堰堰后水流形態較好，壓強分布較為理想，負壓不大，安全性能較好；駝峰堰堰后負壓受駝峰曲率半徑影響及流速影響較大，為保證堰面負壓通常需犧牲部分流速；寬頂堰堰后水流形態較復雜，受堰后漸變段坡度變化及橫向水面收縮影響后，水流形態難以控制。

綜合分析后，選用WES 實用堰對于堰后流態最為有利。溢洪洞孔口凈寬21.6m，堰高4.8m，堰長7.31m。上游垂直，與堰頂采用三段弧銜接。下游堰面曲線為y=x1.85/（2×2.860.85），與下游底板采用圓弧連接，圓弧半徑R=24m。

4.3 進口長度分析

溢洪洞進口段長度除了受堰長影響，還與漸變段長度有關。為使堰后流態較為理想，需調整堰后坡度和漸變段收縮程度，而這兩者與漸變段長度有直接關系，漸變段長度與收縮角、坡度呈正相關。

本工程溢洪洞漸變段長度需要考慮以下因素：漸變段坡度應為陡坡，且坡度不應影響過堰水流下泄；保證洞內全程無壓，不出現明滿流交替現象。隧洞軸線為曲線布置，洞內最大流速不宜大于25m3/s；靠山側邊坡開挖不應破壞現狀盤山公路。

為選擇合適的進口段長度，并論證無壓隧洞滿足低流速橫斷面尺寸要求，選擇漸變段和隧洞采用相同的縱坡，漸變段末端寬度按照隧洞寬度5m 控制作為邊界條件，根據能量方程，采用分段求合法計算堰后調整段及洞身泄槽段水面線[4]，以此來分析確定進口段總長度，成果見表2。

表2 不同進口長度方案對比表

式中：Δl1-2—分段長度，m；h1、h2—分段始、末斷面水深，m；v1、v2—分段始、末斷面平均流速，m/s；α1、α2—流速分布不均勻系數，取1.05；θ—泄槽底坡角度；i—i=sin θ；Jˉ—分段內平均摩阻坡降；n—泄槽槽身糙率系數，取0.014；vˉ—分段平均流速，m/s；—分段平均水力半徑，m。

水面線起始水深h1取用控制段末端收縮斷面處。

式中：q—起始計算斷面單寬流量，m3/（s·m）；H0—起始計算斷面渠底以上總水頭，m；θ—底坡角度，°；φ—起始斷面流速系數，取0.95。

根據計算成果，在堰寬及隧洞進口寬度一定條件下，漸變段長度與收縮角成反比關系，增加漸變段長度，收縮角度減小，漸變段選擇較小的坡度便能夠滿足泄流能力要求；反之，漸變段長度減小，收縮角增大，為滿足泄流能力要求，漸變段需保證足夠的坡度。漸變段長度的增加對隧洞進口靠山側石方開挖和邊坡支護工程量影響較大，從而增加工程投資成本；但增大縱坡將導致泄槽段洞內流速超出設計允許值。因此需綜合考慮選擇合理的漸變段長度。

經過迭代計算，確定漸變段收縮角為20°，相應漸變段長度為24.57m，進口總長度為31.88m，隧洞洞內水深為5.78m，同時為避免不同泄流工況下，對應流態洞口可能出現明滿流交替現象，對隧洞進口頂部進行優化設計，采用洞高漸變的型式，隧洞直墻高度由6.06m 漸變為5.0m。

5 數學模型驗證

為進一步驗證不同堰型堰后漸變段的水力特性，針對本工程采用了數學模型進行分析研究。溢洪洞進水口水面線采用恒定流分析，計算基于一維能量方程，逐斷面采用直接步進法推求。計算公式如下：

式中：Z1、Z2——下斷面和上斷面的水位高程；α1、α2——下斷面和上斷面的流速系數；v1、v2——下斷面和上斷面的流速；g——重力加速度；hf、hj——上、下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失。

5.1 計算過程

本次計算使用HEC-RAS5.0.7 版本，各版本之間差異不大，計算過程相似。計算步驟如下：

①新建工程項目；

②輸入溢洪洞進水口段幾何資料（河段長度、橫斷面信息、糙率等）；

③輸入水流數據和邊界條件（計算工況、流態、流量等）；

④進行水力計算；

⑤輸出計算結果。

采用HEC-RAS 程序完成進水口段建模并輸入相關邊界條件后，進行各工況水面線計算分析。如圖2 所示。

圖2 HEC-RAS 進口段建模及計算結果

5.2 計算結果

根據模型分析結果，推求的水面線成果與理論公式法成果基本是一致的。如圖3 所示。

圖3 計算成果對比分析圖

6 結論

①中小型水庫布置泄水建筑物受地形、地質條件影響，不具備布置溢洪道條件時，可考慮采用堰式進口的無壓溢洪洞的型式，可滿足安全泄流和方便運行管理的要求。

②WES 實用堰較寬頂堰、駝峰堰流量系數大，雖堰體稍長，但堰寬減小明顯，可大幅減少對堰體兩側現狀的影響。同時WES 實用堰堰后水流形態較好，壓強分布較為理想，負壓不大，安全性能較好。

③WES 實用堰后漸變段長度與泄槽隧洞進口靠山側石方開挖和邊坡支護工程量呈正相關，而與坡度呈反比關系，但縱坡增大可能會造成洞內流速超出設計要求，需綜合考慮選擇合理進口長度。

④為改善高速水流進入無壓隧洞內的水流流態，隧洞進口頂部體型應結合水面線成果進行優化設計，采用洞高漸變的型式，可有效避免陡坡無壓隧洞內出現明滿流交替現象，確保洞身結構安全。