張勝東

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 新疆 烏魯木齊 830002)

1 工程概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)新建團(tuán)場(chǎng)38團(tuán)位于且末縣境內(nèi)，東距且末縣城150km，西距民豐縣城150km。石門(mén)水庫(kù)工程是以灌溉為主，防洪、發(fā)電等綜合利用的水利水電樞紐。石門(mén)壩址區(qū)位于莫勒切河出山口處，為中低山地貌，山頂高程2500m，兩壩肩基巖山體較為雄厚。該段河谷呈U型，河谷走向近南北向，河道縱坡11‰?，F(xiàn)代河床寬約150m～200m，高程2325m左右，河床表層第四系全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石層厚8m左右，其下伏第四系中更新統(tǒng)冰水沉積砂礫石層厚100m左右。

2 工程設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1 工程等別

本水庫(kù)工程總庫(kù)容7133萬(wàn)m3，控制灌溉面積18萬(wàn)畝，裝機(jī)容量8MW。根據(jù)《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)的規(guī)定：工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。

2.2 泄洪建筑物

泄洪建筑物有溢洪洞和沖沙泄洪洞。泄洪建筑物出擬尺寸如下：

泄洪沖砂洞：位于左岸，進(jìn)口洞底高程2327.0m，進(jìn)口孔為5m×4.8m。其任務(wù)為施工期導(dǎo)流，運(yùn)行期泄洪、沖沙、放空水庫(kù)，在灌溉發(fā)電隧洞未建成之前，承擔(dān)灌溉放水任務(wù)。

溢洪洞：位于左岸，進(jìn)口堰頂高程2383m，堰寬40.0m。其泄流量計(jì)算式為：

式中：m=0.45，B=40m。

2.3 汛限水位

經(jīng)分析確定采用汛限水位為2383.0m，并以此作為調(diào)洪計(jì)算的起調(diào)水位。根據(jù)水庫(kù)多年長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，在6月上旬～7月下旬庫(kù)水位維持在死水位2350m，長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算表明，當(dāng)汛末限制水位2383m時(shí)，除了極枯水年之外，一般水庫(kù)回蓄至正常蓄水位是有保證的。因此，汛期水位確定為2383m是可行的，以此作為起調(diào)水位進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算是合理的。

2.4 調(diào)洪計(jì)算原則

汛期起調(diào)水位為2383m，按單峰型洪水過(guò)程的漲水、退水制定洪水調(diào)度原則。

①當(dāng)庫(kù)水位高于正常蓄水位時(shí)，溢洪洞開(kāi)始敞泄。

②特殊工況：泄洪洞不能開(kāi)啟，只利用溢洪洞泄洪，水庫(kù)以溢洪洞泄流能力進(jìn)行敞泄。

2.5 調(diào)洪計(jì)算成果

根據(jù)水庫(kù)的規(guī)模，確定水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水100年一遇，其洪峰流量Q設(shè)=725m3/s，校核洪水2000年一遇，其洪峰流量Q核=1456m3/s，本次設(shè)計(jì)采用7日洪水作為典型洪水進(jìn)行分析計(jì)算。各種頻率的洪峰流量及洪量詳見(jiàn)表1，石門(mén)水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果見(jiàn)表2。

3 溢洪洞布置

3.1 溢洪隧洞布置

隧洞的線(xiàn)路選擇關(guān)系到隧洞的造價(jià)、施工難易、工程進(jìn)度、運(yùn)行可靠性等方面，應(yīng)該在勘測(cè)工作的基礎(chǔ)上擬訂不同方案，考慮各種因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選定。

（1）地形上，左岸岸坡陡立，地形爬坡快，右岸岸坡平緩，進(jìn)口的開(kāi)挖較大。

（2）地質(zhì)上，左岸地層巖性為砂巖，只有隧洞出口處是沖積物和冰磧物。進(jìn)水口等都坐落于基巖上，右岸地層巖性基本為冰水沉積物。

（3）布置上，左岸可布置溢洪洞，洞身全部都在基巖上，可實(shí)現(xiàn)電站、導(dǎo)流洞同側(cè)布置，但電站同側(cè)布置時(shí)發(fā)電引水洞需度過(guò)河道。右岸布置時(shí)洞身只有一部分在基巖上，而大部分在砂礫石上，需采用開(kāi)敞式溢洪道，且出口段出水渠較長(zhǎng)，砂礫石開(kāi)挖量較大，且產(chǎn)生高邊坡問(wèn)題。

（4）投資上，左岸溢洪洞相對(duì)右岸溢洪道投資要少。

綜上所述，可以看出溢洪洞形式比溢洪道型式較安全且便宜，另溢洪洞布置在左岸比右岸利大于弊，因而在該壩址處將溢洪洞布置在左岸。

3.2 溢洪道的型式選擇

溢洪道有許多種型式。按其所在的位置，可分為河岸式及河床式；按泄水方式，可分為開(kāi)敞式及封閉式(井式)；按有無(wú)閘門(mén)，可分為控制室及自由式。在沒(méi)有合適的溢洪道位置的情況下還可以開(kāi)鑿泄洪洞泄洪。

開(kāi)敞式河岸溢洪道又分為正堰式及側(cè)堰式兩種型式。前者溢流堰軸線(xiàn)大致與溢流方向垂直；后者溢流堰沿河岸等高線(xiàn)布置，溢流前沿與壩軸線(xiàn)大致垂直。

溢洪道的位置和型式，應(yīng)根據(jù)庫(kù)區(qū)和壩址區(qū)的地形、地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)比較來(lái)選擇。

（1）庫(kù)區(qū)有馬鞍形山凹地段，最適宜布置正堰式溢洪道。其優(yōu)點(diǎn)是：水力條件好，超泄能力大，工程量少。

（2）壩的兩端山坡陡峻，布置正堰式溢洪道開(kāi)挖量很大時(shí)，可考慮采用側(cè)堰式溢洪道。其優(yōu)點(diǎn)是：占用空間小，工程量小。

由于本工程布置空間較小，兩岸山體較陡，所以本階段推薦采用側(cè)槽溢洪洞。

控制堰的型式采用WES實(shí)用堰，堰頂不設(shè)閘門(mén)。側(cè)槽段斷面采用窄深式梯形斷面，側(cè)槽段縱坡i=1/30。

3.3 泄槽段設(shè)計(jì)

在選擇泄槽軸線(xiàn)時(shí)，宜采用直線(xiàn)。當(dāng)必須設(shè)置彎道時(shí)，彎道宜設(shè)置在流速較小時(shí)、水流比較平穩(wěn)、底坡較緩且無(wú)變化的部位。

泄槽在平面上設(shè)置彎道時(shí)，宜滿(mǎn)足下列要求：

①橫斷面內(nèi)流速分布均勻。

②沖擊波對(duì)水流擾動(dòng)影響小。

③在直線(xiàn)段和彎段之間，可設(shè)置緩和過(guò)渡段。

④為降低邊墻高度和調(diào)整水流，宜在彎道及緩和過(guò)渡段渠底設(shè)置橫向坡。

⑤矩形斷面彎道的彎道半徑采用6倍～10倍泄槽寬度。

泄槽的縱坡、平面及橫斷面布置，應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件及水力條件等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定。

本工程泄槽段采用隧洞型式。

3.4 消能防沖設(shè)計(jì)

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2000）規(guī)定：消能防沖設(shè)計(jì)的洪水標(biāo)準(zhǔn)為1級(jí)建筑物按100年一遇洪水設(shè)計(jì)；2級(jí)建筑物按50年一遇洪水設(shè)計(jì)；3級(jí)建筑物按30年一遇洪水設(shè)計(jì)。同時(shí)，還明確規(guī)定對(duì)低級(jí)消能防沖標(biāo)準(zhǔn)的洪水應(yīng)保證工程的安全和正常運(yùn)行。

消能設(shè)施的良好工況，是樞紐安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。選定的消能工應(yīng)滿(mǎn)足：

表1 莫勒切河石門(mén)斷面設(shè)計(jì)洪水成果表 單位：流量m3/s洪量：106m3

表2 調(diào)洪計(jì)算成果表 單位：流量m3/s水位：m

表3 石門(mén)水庫(kù)側(cè)槽內(nèi)水面曲線(xiàn)計(jì)算表

（1）消能效果良好。應(yīng)能在設(shè)計(jì)流量及以下各級(jí)泄量時(shí)，尤其是在常遇洪水時(shí)有良好的消能效果。因常遇洪水出現(xiàn)的機(jī)率高，所以強(qiáng)調(diào)了在常遇洪水情況下的良好消能效果。

（2）結(jié)構(gòu)可靠，并具有良好的防空蝕和抗磨的性能。

（3）淹沒(méi)于水下的消能工（如消力池、輔助消能工）應(yīng)具有運(yùn)行期檢修的條件。

本工程屬3級(jí)建筑物消能防沖按30年一遇設(shè)計(jì)。由于本工程消能段地基主要以砂礫石為主，水頭高、流速大，所以消能型式選用底流擴(kuò)散式消能。

4 水力計(jì)算

4.1 側(cè)槽段變流量水面曲線(xiàn)計(jì)算

側(cè)槽內(nèi)水流為空間沿程增加的變量非均勻流，通常用差分形式的基本方程進(jìn)行計(jì)算。在側(cè)槽末端與泄槽銜接處設(shè)控制段，過(guò)渡水深在側(cè)槽內(nèi)無(wú)交點(diǎn)，臨界水深可認(rèn)為發(fā)生在控制段末端與泄槽交界處，故側(cè)槽末端水深的計(jì)算是以校核洪水時(shí)的溢洪洞泄流量為Q=463.29 m3/s，來(lái)計(jì)算控制段末端的臨界水深，以次推算至控制段首端，即側(cè)槽末端水深為5.68m，以此推算側(cè)槽的水面線(xiàn)。

側(cè)槽水面線(xiàn)差分形式的基本方程：

式中，△s——計(jì)算流段長(zhǎng)；

△Z——計(jì)算流段△S的兩端斷面的水位差；

J——計(jì)算流段內(nèi)的平均水力坡降；

V1、V2——分別為計(jì)算流段上下游斷面的平均流速；

Q1、Q2——分別為計(jì)算流段上下游斷面所通過(guò)的流量，Q2=Q1+q△S。

根據(jù)《水利水電工程PC1500程序集（微機(jī)版）》D—11側(cè)槽式變量流水面線(xiàn)計(jì)算程序計(jì)算側(cè)槽的水面線(xiàn)，如果計(jì)算流段不長(zhǎng)，可略去J△S，計(jì)算參數(shù)為：側(cè)槽分段數(shù)Z=5，槽內(nèi)邊坡系數(shù)M=0.5，槽內(nèi)底坡I0=0.033，槽內(nèi)糙率 n=0.016，長(zhǎng)度 lm=40m，首端底寬BU=12m，末端底寬B0=15m，末端處流量Q=463.29m3/s，起端水深H0=6.37m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表3。臨界水深Hk=4.50，臨界底坡Ik=0.199。

4.2 泄槽段水面曲線(xiàn)計(jì)算

泄槽段的水面線(xiàn)根據(jù)能量方程用分段求和法計(jì)算，起始斷面水深為控制段末端的臨界水深hk，以此推算泄槽的水面線(xiàn)。能量方程計(jì)算公式：

式中，△ll-2——分段長(zhǎng)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(shù)，取1.05；

θ——泄槽底坡角度，°；

J——分段內(nèi)平均摩阻坡降；

v——分段平均流速，m/s；

R——分段平均水力半徑，m/s。

根據(jù)《水利水電工程PC1500程序集》D—7明渠恒定非均勻漸變流水面曲線(xiàn)計(jì)算程序計(jì)算泄槽的水面曲線(xiàn)，見(jiàn)表4。

4.3 泄槽段水流摻氣水深計(jì)算

式中，h、hb——泄槽計(jì)算斷面的水深及摻氣后的水深；

v——不摻氣情況下泄槽計(jì)算斷面的流速，m/s；

ξ——修正系數(shù)，可取1.0 m/s～1.4m/s，流速大者取大值。本設(shè)計(jì)取1.3m/s。

經(jīng)計(jì)算，0+402斷面的水流摻氣水深hb=3.12m。最終泄槽槽深度取4m，寬度12m。

4.4 消能水力設(shè)計(jì)

消能防沖設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為30年一遇，相應(yīng)的洪峰流量為538m3/s，但此時(shí)調(diào)峰后的下泄流量為383.14m3/s，相應(yīng)下游水位為2320.25m；根據(jù)水面曲線(xiàn)的計(jì)算可以確定出口的水深為1.939m，出口流速為28.222m/s。

根據(jù)洪水頻率P=3.3%時(shí)石門(mén)水庫(kù)的調(diào)洪計(jì)算結(jié)果，溢洪洞的下泄流量Q=383.14m3/s，來(lái)進(jìn)行泄槽的消能設(shè)計(jì)。根據(jù)《溢洪洞設(shè)計(jì)規(guī)范》SL253-2000中下挖擴(kuò)散式消力池的池深、池長(zhǎng)可由下式計(jì)算：

LK=0.8L

式中，d——池深，m；

σ——水躍淹沒(méi)度，可取1.05；

h1——收縮斷面水深，m；

h2——池中發(fā)生臨界水躍時(shí)的躍后水深，m；

ht——消力池出口下游水深，m；

△Z——消力池尾部出口水面跌落，m；

b1、b2——躍前、躍后斷面寬度，m；

φ——消力池出口段流速系數(shù)，可取0.95；

L——自由水躍的長(zhǎng)度，m。

由以上的計(jì)算公式試算確定：S=0.74m,LK=46.59，確定消力池的寬度b1=7.0m、b2=19.0m，深度d=5.0m，長(zhǎng)度為50m。

5 設(shè)計(jì)總結(jié)及工程優(yōu)化分析

根據(jù)上述對(duì)工程設(shè)計(jì)的介紹，可以得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)地形選擇布置溢洪道的形式，對(duì)溢洪道本身來(lái)說(shuō)，非常有利于建筑物的布置，泄流效果明顯；對(duì)于整個(gè)樞紐布置來(lái)說(shuō)非常的有力，而且非常的節(jié)省投資。

（2）泄槽形式的選擇對(duì)本工程的經(jīng)濟(jì)性有很大的影響，但是這往往受到整體布置要求的限制，因此，應(yīng)通過(guò)大量的參數(shù)調(diào)整加以確定。陜西水利

[1]溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范S L253-2000[S]，中國(guó)水利水電出版社.

[2]水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范S L279-2002[S]，中國(guó)水利水電出版社.

[3]陳寶華,張世儒等．水閘[M]，北京：中國(guó)水利水電出版社.

[4]陳德亮,王長(zhǎng)德等.水工建筑物[M]，北京：中國(guó)水利水電出版社.

[5]李煒,趙昕,李大美等.水力計(jì)算手冊(cè)(第二版)[M]，北京：中國(guó)水利書(shū)店出版社.