黨 力

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

南溝門水庫樞紐工程位于陜西省延安市黃陵縣境內(nèi)，水庫壩址位于葫蘆河河口上游，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型，按100年一遇洪水設(shè)計，5000年一遇洪水校核。主要工程任務是：向延安石油化學工業(yè)基地及當?shù)爻青l(xiāng)生活供水，還具有改善灌溉條件，利用供水進行發(fā)電等作用。在不影響下游綜合用水情況下，解決交口河工業(yè)區(qū)、華能延安電廠、延安80萬噸乙烯工程、黃陵縣城的生產(chǎn)生活用水，發(fā)展隆太塬灌區(qū)，利用工業(yè)城鎮(zhèn)供水及農(nóng)灌用水發(fā)電。

導流泄洪洞屬于永臨結(jié)合建筑物，施工期為導流洞，后期改建成為泄洪洞，同時兼有排沙功能。設(shè)計等級為2級，在滿足施工期導流、度汛要求的同時，也要滿足運用期泄洪、排砂需要。洞身橫斷面為6m×8m城門洞型，全斷面鋼筋砼襯砌。設(shè)計洪水位下泄流量Q設(shè)=456.8m3/s，校核洪水位下泄流量Q校=467.8m3/s。

2 工程地質(zhì)條件

隧洞從四級階地基座巖體通過，洞室圍巖以T3h泥（頁）巖為主。隧洞進出口斜坡，基巖裸露，坡角40°左右，表面強風化帶厚1m～2m，穩(wěn)定性較好。

隧洞進口段，洞室圍巖為強～弱風化的泥（頁）巖，巖體裂隙發(fā)育、破碎，圍巖類別屬不穩(wěn)定的Ⅳ類。

隧洞洞身段圍巖為弱～微風化的泥（頁）巖，巖體較破碎～比較完整洞室位于地下水位以下，開挖過程有滴水、滲水現(xiàn)象。泥（頁）巖易風化破碎，圍巖類型分別為穩(wěn)定性較差的Ⅲ類、不穩(wěn)定的Ⅳ類。

隧洞出口段圍巖為弱風化的泥（頁）巖，巖體比較破碎，Rc=13.5MPa，泥質(zhì)泥（頁）巖易風化破碎，圍巖類別為穩(wěn)定性較差的Ⅳ類。

3 導流泄洪洞布置

導流泄洪洞位于大壩右岸，主要由進口段、洞身段和出口挑流消能段三部分組成，全長836.0m。進口底板高程803.0m，出口底板高程795.05m。水庫運用期最大下泄流量467.8m3/s，洞內(nèi)最大流速 23.4m/s。

隧洞進口段布設(shè)放水塔，塔高65m。放水塔下部閘室為矩形斷面，斷面尺寸為21m×11.6m（長×寬）。上游側(cè)設(shè)一扇平板檢修閘門，孔口尺寸5.0m×4.7m（寬×高），下游側(cè)布設(shè)一扇戶型工作弧門，孔口尺寸5.0m×4.0m（寬×高）。

洞身段采用城門洞型斷面，斷面尺寸6.0m×8.0m（寬×高），全長 795.0m，隧洞比降1%。洞身采用鋼筋砼襯砌。

出口挑流消能段布設(shè)挑流鼻坎，挑流鼻坎長17.5m，坎頂高程為799.05m，末端設(shè)齒槽，齒槽底高程為790.55m，反弧半徑R=38m，鼻坎挑射角θ=27°。

4 水力設(shè)計

4.1 泄流能力計算

導流泄洪洞的泄流能力計算按照水位劃分為3種工況計算

壓力段由無壓流至有壓流的界限值為：

（1）有壓流按壓力短管計算

式中，μ——流量系數(shù)，取0.80；

b——孔口寬度（m）；

h——孔口高度（m）；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

H0——計入行進流速水頭孔口底板以上水頭（m），取H0=H。

弧門全開時的特征水位泄流特性表、水位——流量及流量系數(shù)關(guān)系曲線分別見下表1，2。

（2）半有壓流計算公式

式中，μ——流量系數(shù)，取0.625；

b——孔口寬度（m）；

h——孔口高度（m）；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

H0——計入行進流速水頭孔口底板以上水頭（m），取H0=H。

（3）無壓流按寬頂堰計算

式中，m——流量系數(shù)，取0.325；

b——孔口寬度（m）；

σs——淹沒系數(shù)，取1.0；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

H0——計入行進流速水頭孔口底板以上水頭（m），取H0=H。

（4）計算結(jié)果

弧門全開時的水位——流量關(guān)系曲線見表1。

4.2 明流洞水面線及摻氣水深計算

（1）明流洞水面線計算

起始斷面水深為閘后收縮水深，求得ES1=h1+α1v12/2g,假定另一斷面水深h2，求得兩斷面間水力坡度 J，ES2=ES1+△s×（i-J）,同時求得 ES2′=h2+α2v22/2g,若 ES2=ES2′表示試算成功，說明假定水深為實際水深，有了一系列的h和△s值，即可繪出水面曲線。

（2）摻氣水深計算

lg((ha-h)/△)＝1.77+0.0081×v2/(gR)

式中：ha——摻氣后的水深；

h——未摻氣水流的水深；

v——未摻氣水流的流速；

R——未摻氣水流的水力半徑；

△——表面的絕對粗糙度，△＝0.002m。

（3）計算結(jié)果

泄洪排沙洞下泄流量Q=467.8m3/s時水面線進行計算，經(jīng)計算泄洪排沙洞洞內(nèi)水流為C3型壅水曲線，其洞出口處實際水深最大，hmax＝5.91m，該處流速 v＝13.5m3/s。

4.3 挑流消能計算

（1）挑距計算

式中，L——隧洞下游垂直面到挑流水外緣進入下游水面后與河床面交點的水平距離，m；

v1——坎頂水面流速（m/s），按鼻坎處平均流速v的1.1倍計；

表1 導流泄洪洞弧門全開時水位流量特性表

表2 泄洪排沙洞洞內(nèi)水面線

θ——挑流水舌水面出射角，近似取鼻坎挑角，θ=27°；

h1——挑流鼻坎末端法向水深，m，h1=h/cosθ；

h2——鼻坎坎頂至河床面高差，m；

Z0——鼻坎末端斷面以上的水頭。

（2）沖刷坑深的計算

沖刷坑深采用公式：

式中，k——為綜合沖刷系數(shù)，取1.8；

q——鼻坎末端斷面的單寬流量，m3/（s·m）。

Z——上下游水位差（m）。

沖刷坑后坡i的計算：

式中，T——沖刷坑深度（m）；

L——挑流射程（m）。

沖刷坑后坡i的最大允許值為1/3～1/6。

（3）計算結(jié)果

經(jīng)計算在校核洪水位下泄流量Qmax＝467.8m3/s時，挑距L=91.78m。刷深度T＝24.34m，沖刷坑至挑流鼻坎的距離大于3倍沖刷深度，不會對建筑物及兩岸山坡造成大的影響，不會威脅它們的穩(wěn)定安全，滿足要求。

5 結(jié)語

通過對導流泄洪洞水力計算和分析，可為正確推求水面線、合理確定洞斷面、選取合理的消能方式提供依據(jù)。通過水力模型專題試驗，進一步驗證了選取的相關(guān)水力參數(shù)是經(jīng)濟合理的，滿足工程的運行使用要求。

總之，設(shè)計人員在對導流泄洪洞進行設(shè)計過程中，首先擬定出相關(guān)參數(shù)，并最終通過相關(guān)水力計算進行復核確認，為下一步水力模型試驗的提供依據(jù)。陜西水利