李 闖

（運城市水利勘測設計研究院有限公司，山西 運城 044000）

導流泄洪洞是水工結構比較常用的泄水建筑物，通常在水庫工程施工前期用來導流，竣工后用于泄洪，其設計型式隨地質、工程結構、運行等方面的限制而不同。在導流泄洪過程中會發(fā)生明流、壓流這兩種工況，一般根據(jù)不同工況分別展開計算[1-2]。導流泄洪洞設計中，根據(jù)水力分析結果優(yōu)化導流泄洪洞型式，以獲得最佳設計方案。

1 瓦舍水庫概況

瓦舍水庫位于垣曲縣城以北12 km的瓦舍村南，壩址位于黃河流域亳清河左家灣支流上。壩址以上控制流域面積20.4 km2，總庫容108.72萬m3，為?。ㄒ唬┬退畮欤こ痰葎e為Ⅳ等。水庫樞紐由大壩、溢洪道、導流泄洪洞組成，主要建筑物為4級，次要建筑物為5級。防洪標準為30年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核。水庫死（泥沙）水位701.81 m，正常蓄水位713.85 m，設計洪水位715.88 m，校核洪水位717.97 m。

大壩壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程718.5 m，防浪墻頂高程719.5 m，最大壩高30.5 m。壩頂長212 m，壩頂寬8 m，上、下游壩坡分別采用1∶2和1∶1.75。

溢洪道位于大壩左岸，為開敞式布置，由進水渠、控制段、泄槽段和消能段四部分組成，全長303.12 m，控制段寬15 m，出口消能段采用挑流式消能，均為鋼筋混凝土結構。設計泄流量71.24 m3/s，校核泄洪流量205.60 m3/s。

導流泄洪洞布置于大壩左岸，全長236.1 m，由進口段、進口閘井段、洞身段、出口弧形閘門控制段和挑流消能段組成，均為鋼筋混凝土結構。泄洪洞采用有壓形式，斷面為圓形，直徑2.8 m，設計水頭23.05 m，下泄流量69.2 m3/s，校核水頭24.97 m，下泄流量72.2 m3/s。

2 導流泄洪洞設計

泄洪洞及供水管進口距壩軸線85 m，出口位于大壩下游。為減少工程投資，泄洪洞及供水管共用一個進水塔，各自設置閘門控制，即泄洪通過低孔口，將水引入隧洞中，通過隧洞出口挑流式消能設施挑入下游河道；供水通過高孔口，將水引入隧洞下方埋設的直徑800 mm鋼管中，通過閘閥控制供水[3-4]。

2.1 地質概況

泄洪洞及供水管位于壩址左岸，洞底部高程694—690.6 m，洞徑2.8 m，總長236.1 m。洞軸線多處于弱風化帶巖層內(nèi)，洞頂圍巖厚0～31 m。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，表層強風化層厚0～13 m，該段位于地下水位以上。

泄洪洞及供水管穿越圍巖以Ⅳ類圍巖為主，整體成洞條件較差。另外，洞身安山巖，巖石的彈性抗力系數(shù)K取1 200～2 000 MN/m3，靜彈性模量E取4.3～10.6萬MPa，動彈性模量E=7.1～8.6萬MPa，巖石堅固系數(shù)f取12。

2.2 泄洪洞及供水管型式

瓦舍水庫工程任務為農(nóng)業(yè)灌溉、城市及生態(tài)供水，因工程規(guī)模較小，為了簡化樞紐布置，減少工程投資，將導流、泄洪功能相結合，布置一條綜合利用隧洞。從壩址區(qū)地形、地質以及工程建設便利性等條件考慮，將泄洪洞及供水管布置在左岸山體中。

泄洪洞及供水管進口采用豎井式結構（進水塔），泄洪洞口及供水管口聯(lián)合布置，采用同一塔體，進水口左右獨立布置，各自設置閘門控制，其中供水管口布置于進水塔左側，根據(jù)泥沙淤積計算，水庫運行30年后，壩前淤積面高程為701.81 m，將此高程作為供水口底板高程；泄洪孔口布置于進水塔右側，底板高程694.0 m，在工程施工期間泄洪洞兼具施工導流的作用。

根據(jù)工程總體布置方案，隧洞采用上游側閘門控制，斷面為圓形。為減少工程投資，泄洪洞及供水管共用進水塔，泄洪通過進水塔右側孔口，將水引入隧洞中，通過隧洞出口挑流式消能挑入下游河道；供水通過進水塔左側孔口，將水引入隧洞下方埋設的直徑800 mm鋼管中，在隧洞出口0+170處向右側拐出，通過閘閥控制供水。

2.3 進水塔孔口工作水頭確定

本隧洞為有壓洞，需要考慮其運行所需的淹沒深度。為防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，最小淹沒深度可以按下列公式計算：

式中：S——最小淹沒水深，m；

d——閘孔高度，m；

V——閘孔斷面平均流速，m/s；

C——系數(shù)，對稱水流取0.55。

經(jīng)計算，S=1.5 m。進水塔上共設兩個有壓孔口，其中高進水口孔高1 m，考慮運行的安全性，工作水頭取2.5 m。

3 水力學計算

依據(jù)防洪要求，瓦舍水庫防洪標準為30年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核，考慮施工導流和淹沒占地設計需要，本次計算頻率為20%、5%、3.33%和0.33%的洪水過程[5-6]。該水庫設計有壓泄洪隧道，包含進口喇叭段、漸變段、出口漸變段等。

3.1 過水能力計算

本次設計閘底板高程為694.0 m，校核洪水位717.97 m，設計洪水位715.88 m，洞徑為2.8 m。根據(jù)公式H/a=7.8＞1.5判斷隧洞為有壓流，其過流能力計算按下式計算：

式中：ω——隧洞出口斷面面積，m2；

T0——上游水面與隧洞出口底板高程差及上游行進水頭之和，m；

hp——隧洞出口斷面水流的平均單位勢能，m；

μ—流量系數(shù)。

流量系數(shù)計算公式：

式中：ω——隧洞出口斷面面積，m2；

ζi——隧洞第i段上的局部能量損失系數(shù)，與之

相對應的流速所在的斷面面積為ωi；

li——隧洞第i段的長度，與之相應得斷面面積、

水力半徑和謝才系數(shù)分別為ωi、Ri和Ci。不同工況下，泄洪洞的過流能力計算成果見表1。

表1 不同工況泄洪洞泄流能力計算成果表

由計算結果可知，泄洪洞在設計洪水位及校核洪水位下的泄流能力滿足洪水調(diào)節(jié)需要。

供水管管徑為0.8 m，出口底高程687.5 m，在水庫最低水位701.81 m時，經(jīng)計算：管道的流量系數(shù)為0.19，過水流量為1.6 m3/s，滿足設計要求。

3.2 泄洪洞在校核洪水位時的總水頭和壓坡線

從表2中計算結果可知，隧洞出口處頂部可能產(chǎn)生負壓，但由于泄洪過程歷時短、負壓危害性較小。

表2 校核洪水位時總水頭和壓坡線計算成果表

3.3 消能防沖水力計算

3.3.1 沖刷坑最大深度計算沖刷坑最大水墊深度按下式計算：

式中：T——自下游水面至坑底最大水墊深度，m；

q——鼻坎末端斷面單寬流量，m3/（s·m）；

Z——上、下游水位差，m；

k——綜合沖刷系數(shù)，根據(jù)地質條件，取k＝1.4。

上游水位為挑坎高程加上流速水頭，沖坑下游河道為陡坡，下游水深采用平均斷面的臨界水深來代替。設計洪水時單寬流量16.2 m2/s，計算沖坑深度為9.06 m。

3.3.2 總挑距計算

挑流水舌外緣挑距按《溢洪道設計規(guī)范》（SL 253-2000）中公式計算：

式中：L′——自挑流鼻坎末端算起至下游河床面挑流水舌外緣挑距，m。

v1——鼻坎坎頂水面流速，按鼻坎處平均流速的1.1倍計，m/s；

θ——挑流水舌水面出射角，近似取用鼻坎挑角θ＝30°；

h1——挑流鼻坎末端法向水深，m；

h2——鼻坎坎頂至下游河床高程差，m。

水面以下水舌長度的水平投影按《水力計算手冊》中公式計算：

式中：Lc——水面以下水舌長度的水平投影，m；

β——水舌外緣與下游水面的夾角。

總挑距為挑流水舌外緣挑距與水面以下水舌長度的水平投影之和，計算如下：

設計洪水時鼻坎末端水深及斷面平均流速分別近似取用泄槽末端水深及流速，經(jīng)計算，設計洪水時總挑距為41.29 m。

3.4 洞身標準斷面結構計算

3.4.1 襯砌厚度計算公式：

式中：h——襯砌厚度，m；

rB——襯砌內(nèi)半徑，m；

[σ]——混凝土允許軸心拉應力，kN/m2；

P——均勻內(nèi)水壓力，kN/m2；

A——彈性特征因數(shù)。

彈性特征因數(shù)計算公式：

式中：Eσ——混凝土彈性模數(shù)，kN/m2；

uσ——混凝土泊松比，取0.2；

Ko——巖石單位彈性抗力系數(shù)，kN/m2。

經(jīng)計算，彈性特征因數(shù)A為0.135。由于巖石抗力較大，h為負值即-1.2。根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》，為安全考慮，本次設計混凝土襯砌厚度為0.5 m。

3.4.2 襯砌配筋計算

根據(jù)混凝土開裂，內(nèi)水壓力由鋼筋和圍巖共同承擔的情況，進行配筋計算：

式中：Fa——鋼筋面積，m2；

Ea——鋼筋彈性模量，kN/m2；

[σa]——鋼筋允許拉應力，kN/m2。

經(jīng)計算，F(xiàn)a＜0，所以取最小配筋率0.15%進行配筋，每立方米混凝土的鋼筋含量為12 kg。

4 結論

泄槽下游出口消能段樁號為0+296.65—0+303.12段，采用挑流消能，挑流鼻坎的水平長度6.47m，寬10m，為現(xiàn)澆C25鋼筋混凝結構，反弧半徑為10 m，挑角為25°，底板下設置齒墻，前齒墻埋深2.3 m，后齒墻埋深3.3 m，為防止水流淘刷齒墻，確保挑射水流能順利進入河槽，齒墻后設鉛絲籠石護底，長10 m，厚1 m。挑坎底部采用直徑25 mm錨筋與基巖連接，間距為1 m，長4 m，伸入基巖3.5 m。