楊 洋

(華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450000)

1 工程概況

出山店水庫是淮河干流上的大型防洪控制工程，工程位于河南省信陽市境內，壩址在京廣鐵路以西14 km的出山店村附近，距信陽市約15 km，出山店以上河長約100 km，控制流域面積2 900 km2。出山店水庫工程的主要任務為以防洪為主，結合供水、灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用。出山店水庫有供水、灌溉任務，每年向信陽市供水8 000萬m3，其中淮河北岸向明港鎮(zhèn)供水2 950萬m3，時段最大供水流量1.32 m3/s，受水區(qū)地面高程在80 m左右；向淮河南岸的信陽市老城區(qū)和羊山新區(qū)供水5 050萬m3，時段最大供水流量2.1 m3/s，受水區(qū)地面高程在79 m左右。根據(jù)出山店水庫灌區(qū)布置，灌區(qū)總土地面積607 km2，總耕地面積50.6萬畝，灌區(qū)分淮南和淮北兩部分，其中淮南灌區(qū)土地面積340 km2，耕地面積30.6萬畝，淮北灌區(qū)土地面積267 km2，耕地面積20萬畝。灌區(qū)地面高程在83.0 m以下。

為滿足灌溉和供水要求，結合水庫的特征水位和受水區(qū)的地面高程，確定設南、北兩個灌溉洞，渠首水位需不低于83.5 m。北灌溉洞是為灌溉淮北灌區(qū)和明港鎮(zhèn)供水而設置的，設計流量13.87 m3/s，加大流量16.38 m3/s；淮北灌區(qū)自流灌溉的設計渠首水位為83.5 m，北灌溉洞出口水位不能低于83.5 m[1]。

2 工程布置

北灌溉洞的工程布置包括引渠段、閘室控制段、洞身段、消能段和出口扭曲面段五部分[2]。

2.1 引渠段

樁號北灌0+000以上為引渠段。引渠段位于左壩頭上游緩坡，地面高程82.0 m～95.0 m。引渠段中心線長度為437.0 m，渠道底高程81.50 m，樁號0+045前橫斷面底寬5 m，兩側邊坡坡比采用1∶2.5，在86.50 m高程設置2 m寬馬道，馬道以上邊坡坡比為1∶3。渠底為平底，因受地形限制，在樁號北灌0+120.98～樁號北灌0+045段設置平面彎道，彎道半徑60 m，圓心角為72.55°。樁號北灌0+045～樁號北灌0+015段為扭曲面，樁號北灌0+015處高程86.5 m以下為矩形斷面，扭曲面段長30 m。樁號北灌0+000～0+015為收縮段，渠道底寬由5 m漸變至3 m，高程86.5 m以下采用矩形斷面，在86.50 m高程設置2 m寬馬道，馬道以上邊坡坡比為1∶3。

2.2 控制段

北灌0+000～北灌0+014為閘室段。閘室段采用岸塔式進口，后接無壓洞。閘室段長為14 m，底板寬為9 m，設一道工作門槽和一道事故檢修門槽，工作閘門采用弧形鋼閘門，孔口尺寸為3 m×2.3 m(寬×高)，事故檢修門采用平板鋼閘門，孔口尺寸為3 m×2.5 m(寬×高)。進水塔上部設有檢修平臺和工作平臺。工作平臺通過交通橋與左壩頭地面連接，交通橋采用鋼架橋，總跨度56 m。檢修門槽寬0.51 m，深0.36 m，采用后止水結構，邊墩上部厚0.6 m，閘底板厚1.5 m，寬8 m。閘門井采用現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土結構，混凝土閘門井上部設檢修平臺和工作平臺，檢修平臺高程為96.5 m。另設有液壓機放置平臺，平臺高程92 m，工作平臺即啟閉房地面高程為101.6 m，與大壩防浪墻墻頂高程一致，屋頂高程為106.40 m，層高4.8 m，墻體采用磚混結構，墻厚24 cm。屋頂為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構。檢修閘門后設通氣孔，通氣孔采用鋼管，管徑350 mm。

2.3 洞身段

樁號北灌0+014～北灌0+377為洞身段，洞身段長度363 m，其中樁號北灌0+014～北灌0+022為8 m長的漸變段，洞身由矩形漸變?yōu)槌情T洞形。樁號北灌0+014～北灌0+030.5為無壓城門洞形隧洞，該段為塔后消能段，底高程80.50 m，樁號北灌0+030.5～0+369段段底高程由81.3 m漸變至81.0 m，洞身比降1/1 155，洞寬3 m，洞高3.8 m，其中直墻高3.15 m，拱矢高0.9 m，頂拱半徑1.7 m，頂拱中心角124°，洞身襯砌厚度為0.6 m，材料均為C30鋼筋混凝土。

2.4 擴散段

樁號北灌0+377～北灌0+399.7為擴散段。擴散段長22.7 m斷面底寬由3.0 m擴散為8.0 m。擴散段橫段面形式為U型槽，槽頂高程為86.00 m。

2.5 出口扭曲面段

樁號北灌0+399.7～北灌0+429.7為出口扭曲面段，長30.0 m。扭曲面底板采用C20混凝土澆筑，扭曲面為M7.5漿砌石砌筑，扭面由豎直面扭變?yōu)?∶2邊坡與下游渠道相連，底寬由8.0 m漸變?yōu)?.0 m，扭曲面頂高程為86.0 m，在86.0 m高程設置2 m寬馬道，馬道以上邊坡坡比為1∶3，采用厚300 mm的M7.5漿砌石護砌。北灌0+429.7以下為灌溉引水渠道。

3 水力設計

水力計算包括過流能力計算、洞身水面線計算、通氣孔孔徑計算及消能計算[3]。

3.1 過流能力計算

北灌溉洞控制段采用壓力短管體形，根據(jù)規(guī)劃要求，北灌溉洞設計流量13.87 m3/s，加大流量16.38 m3/s，在農灌限制水位84.75 m時，應保證灌溉洞可通過加大流量，在死水位84 m時，應保證可通過供水設計流量1.32 m3/s。為滿足過流要求，同時方便施工，選定壓力短管控制孔口尺寸3 m×2.3 m(寬×高)[4]。

有壓短管出流計算公式為：

其中，μ為流量系數(shù)；σ為淹沒系數(shù)；B為孔口寬度，3 m；e為閘門開度；H為上游水深，由有壓短管出口的閘孔底板高程算起的上游庫水深；ε為有壓短管的垂直收縮系數(shù)。

經過計算，農灌限制水位84.75 m時，閘門開啟高度0.99 m，過流能力即可滿足設計流量16.38 m3/s要求，死水位84 m時，開啟高度0.06 m即可滿足過城市供水流量1.32 m3/s的要求，上游水位較高時，過流能力更大，設計孔口尺寸可以滿足過流能力要求。

3.2 洞身水面線計算

灌溉洞為無壓城門洞型，鋼筋混凝土襯砌，洞底寬3 m，洞長363 m，底坡為1/1 155，糙率n=0.014，采用水力學方法判斷為緩坡，北灌溉洞結構形式為孔口出流+緩坡，洞內最大水深為通過相應流量時的正常水深[5]。計算成果見表1。

表1 灌溉洞洞身水力要素計算表

計算結果為洞內水深分別為2.67 m。灌溉洞洞身直墻部分高2.8 m滿足要求。灌溉洞最大水深以上凈空面積為2.61 m2，洞身斷面面積為10.62 m2，凈空面積與洞身斷面面積的比值為0.24，洞身斷面滿足規(guī)范要求的摻氣水面以上空間為0.15～0.25的要求。

設計流量13.87 m3/s時(以灌溉時水庫向明港正常供水)，隧洞出口水位為83.51 m，略高于灌渠渠首要求水位83.5 m，可以滿足灌溉要求。

3.3 通氣孔孔徑計算

北灌溉洞檢修門后通氣孔面積根據(jù)SL 74—2013水利水電鋼閘門設計規(guī)范附錄B所列公式進行計算。

SL 74—2013水利水電鋼閘門設計規(guī)范附錄B所列公式為：

經計算，通氣孔面積應達到0.05 m2，閘后設管徑為DN350的鋼管。

3.4 消能計算

進水塔后產生的水躍按SL 265—2001水閘設計規(guī)范附錄B所列公式計算。

(1)

(2)

(3)

(4)

Lsj=Ls+βLj

(5)

(6)

經計算，正常蓄水位過閘流量為加大流量16.38 m3/s時，躍后水深為3.24 m，大于洞內水深2.67 m，進水塔后產生遠驅式水躍，水躍長度為25.13 m，躍后水深3.91 m，躍后水深時隧洞內洞頂凈空面積不滿足規(guī)范要求，在進水塔后設消力池可同時解決洞內凈空不足和產生遠驅式水躍問題，故在進水塔后設置消力池，消力池池深0.8 m，池長16 m，消力池段隧洞襯砌厚度采用1 m[6]。

4 結語

通過對水力設計方案的復核，此灌溉洞安全性滿足規(guī)范要求，所以此工程設計合理。水力設計在此次北灌溉洞的設計中起到了關鍵性的作用，對于確定建筑物的尺寸有著重大的意義。