郭春玲

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

柏葉口水庫位于呂梁市交城縣會立鄉(xiāng)柏葉口村上游約500m的文峪河干流上，總庫容9712萬m3。水庫樞紐由大壩、溢洪道、泄洪發(fā)電洞和電站組成。泄洪發(fā)電洞布置在左岸，其進口距壩軸線210m，出口布置在柏葉口村下游，全長692.2m。泄洪發(fā)電洞由進水塔、有壓隧洞、出口閘室、明渠泄槽及挑流段組成。泄洪發(fā)電洞為有壓圓形隧洞，洞軸線為直線，襯砌后直徑為5m，進出口底洞高程分別為1068.50m，1055.00m，洞身縱坡2.25%。其任務有預泄庫水，增大水庫的調蓄能力；放空水庫以便檢修；排放泥沙，減小水庫淤積；施工導流；配合溢洪道渲泄洪水。

2 計算任務及條件

2.1 任務

根據(jù)發(fā)電洞的運行方式，在各特征水位下分別計算過流能力、各部位的水頭損失、沿程壓坡線，復核隧洞斷面能否滿足水利調洪計算要求的泄量，為隧洞的襯砌計算提供依據(jù)。

2.2 計算條件

糙率：泄洪洞采用鋼筋混凝土襯砌，糙率n=0.014。特征水位見表1。

表1 特征水位表

運行方式：當庫水位不超過防洪高水位時，該洞下限流量100m3/s；當庫水位達到及超過防洪高水位時，閘門全開，隧洞敞泄；當庫水位達到校核洪水位時，該洞泄流量400m3/s。

3 水力計算

3.1 過流能力計算

因設計洪水位與校核洪水位相差不大，本次計算僅考慮校核洪水位的情況。

在校核洪水位時，因下游河床水位低于洞底高程，故隧洞為自由出流。在水庫死水位時，洞前水深H=1080.0m-1068.5m=11.5m，大于1.5D=1.5×5m=7.5m，所以按有壓洞計算。依據(jù)《水力計算手冊》，過流能力計算公式為：式中：Q——流量，m3/s；

ω——隧洞出口斷面面積，取16m2；

T0——上游水面與隧洞出口底板高程差及上游行近流速水頭v2/2g之和。因庫水流速v=0，故T0=1136.44m-1055.00m=81.44m；

hp——隧洞出口斷面水流的平均單位勢能，m；

μ——流量系數(shù)，按下式計算：

ξi——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，與之相應的斷面面積、水力半徑和謝才系數(shù)分別為ωi，Ri和Ci。

首先確定各局部水頭損失系數(shù)，列表計算流量系數(shù)μ=0.65。代入過流能力計算公式，得出水位—泄量關系曲線，見圖1。

圖1 水位—泄量關系曲線圖

校核洪水位時，該洞泄量Q=405.26m3/s，滿足行洪要求。

3.2 壓坡線

繪制壓坡線的目的在于保證隧洞在運用過程中洞頂始終有一定正壓力，避免產(chǎn)生空蝕，并為襯砌設計提供依據(jù)。分別按正常蓄水位和校核洪水位考慮。

正常蓄水位：此時，隧洞出口工作閘門關閉，庫水位1133.0m，出口閘底板高程1055.0m，洞內(nèi)水流速v=0。沒有局部及沿程水頭損失，也無流速水頭，故其測壓管水頭為總水頭：H=1133.0m-1055.0m=78m，壓坡線為一水平線。

校核洪水位：按隧洞通過設計流量為402m3/s來計算各段的流速水頭和水頭損失，經(jīng)計算得：該洞沿程水頭損失38.22m，局部水頭損失5.52m，出口流速25.33m/s，流速水頭32.7m，出口處測壓管水頭5m，滿足《水工隧洞設計規(guī)范》洞頂以上應有不小于2m壓力水頭的要求。

壓坡線如圖2。

圖2 壓坡線圖

4 結語

經(jīng)計算，該隧洞校核洪水位時泄量405.26m3/s，大于水力計算要求的400m3/s，滿足工程運行要求。

該隧洞正常運行時，壓坡線水頭為78m，內(nèi)水壓力大，在設計隧洞襯砌時應重視這一因素。

該隧洞局部水頭損失5.52m，沿程水頭損失38.22m，局部水頭損失占全部水頭損失的12.6%，所占比例不大，但主要分布在進出口處，尤其是出口部分應采取防空蝕措施。

在校核洪水位時，洞內(nèi)流速20.65m/s，出口斷面流速25.33m/s，均為高速水流。建議做水工模型試驗來驗證計算結果的合理性。