楊 洋

(華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450000)

1 工程概況

出山店水庫(kù)是淮河干流上的大型防洪控制工程，工程位于河南省信陽(yáng)市境內(nèi)，壩址在京廣鐵路以西14 km的出山店村附近，距信陽(yáng)市約15 km，出山店以上河長(zhǎng)約100 km，控制流域面積2 900 km2。出山店水庫(kù)工程的主要任務(wù)為以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用。出山店水庫(kù)有供水、灌溉任務(wù)，每年向信陽(yáng)市供水8 000萬(wàn)m3，其中淮河北岸向明港鎮(zhèn)供水2 950萬(wàn)m3，時(shí)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(yáng)市老城區(qū)和羊山新區(qū)供水5 050萬(wàn)m3，時(shí)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(kù)灌區(qū)布置，灌區(qū)總土地面積607 km2，總耕地面積50.6萬(wàn)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(wàn)畝，淮北灌區(qū)土地面積267 km2，耕地面積20萬(wàn)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(jié)合水庫(kù)的特征水位和受水區(qū)的地面高程，確定設(shè)南、北兩個(gè)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(shè)置的，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(hào)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(zhǎng)度為437.0 m，渠道底高程81.50 m，樁號(hào)0+045前橫斷面底寬5 m，兩側(cè)邊坡坡比采用1∶2.5，在86.50 m高程設(shè)置2 m寬?cǎi)R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(hào)北灌0+120.98～樁號(hào)北灌0+045段設(shè)置平面彎道，彎道半徑60 m，圓心角為72.55°。樁號(hào)北灌0+045～樁號(hào)北灌0+015段為扭曲面，樁號(hào)北灌0+015處高程86.5 m以下為矩形斷面，扭曲面段長(zhǎng)30 m。樁號(hào)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(shè)置2 m寬?cǎi)R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(jìn)口，后接無(wú)壓洞。閘室段長(zhǎng)為14 m，底板寬為9 m，設(shè)一道工作門(mén)槽和一道事故檢修門(mén)槽，工作閘門(mén)采用弧形鋼閘門(mén)，孔口尺寸為3 m×2.3 m(寬×高)，事故檢修門(mén)采用平板鋼閘門(mén)，孔口尺寸為3 m×2.5 m(寬×高)。進(jìn)水塔上部設(shè)有檢修平臺(tái)和工作平臺(tái)。工作平臺(tái)通過(guò)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(mén)槽寬0.51 m，深0.36 m，采用后止水結(jié)構(gòu)，邊墩上部厚0.6 m，閘底板厚1.5 m，寬8 m。閘門(mén)井采用現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土閘門(mén)井上部設(shè)檢修平臺(tái)和工作平臺(tái)，檢修平臺(tái)高程為96.5 m。另設(shè)有液壓機(jī)放置平臺(tái)，平臺(tái)高程92 m，工作平臺(tái)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(jié)構(gòu)，墻厚24 cm。屋頂為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。檢修閘門(mén)后設(shè)通氣孔，通氣孔采用鋼管，管徑350 mm。

2.3 洞身段

樁號(hào)北灌0+014～北灌0+377為洞身段，洞身段長(zhǎng)度363 m，其中樁號(hào)北灌0+014～北灌0+022為8 m長(zhǎng)的漸變段，洞身由矩形漸變?yōu)槌情T(mén)洞形。樁號(hào)北灌0+014～北灌0+030.5為無(wú)壓城門(mén)洞形隧洞，該段為塔后消能段，底高程80.50 m，樁號(hào)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(kuò)散段

樁號(hào)北灌0+377～北灌0+399.7為擴(kuò)散段。擴(kuò)散段長(zhǎng)22.7 m斷面底寬由3.0 m擴(kuò)散為8.0 m。擴(kuò)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(hào)北灌0+399.7～北灌0+429.7為出口扭曲面段，長(zhǎng)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(shè)置2 m寬?cǎi)R道，馬道以上邊坡坡比為1∶3，采用厚300 mm的M7.5漿砌石護(hù)砌。北灌0+429.7以下為灌溉引水渠道。

3 水力設(shè)計(jì)

水力計(jì)算包括過(guò)流能力計(jì)算、洞身水面線計(jì)算、通氣孔孔徑計(jì)算及消能計(jì)算[3]。

3.1 過(guò)流能力計(jì)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(shè)計(jì)流量13.87 m3/s，加大流量16.38 m3/s，在農(nóng)灌限制水位84.75 m時(shí)，應(yīng)保證灌溉洞可通過(guò)加大流量，在死水位84 m時(shí)，應(yīng)保證可通過(guò)供水設(shè)計(jì)流量1.32 m3/s。為滿足過(guò)流要求，同時(shí)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(jì)算公式為：

其中，μ為流量系數(shù)；σ為淹沒(méi)系數(shù)；B為孔口寬度，3 m；e為閘門(mén)開(kāi)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(kù)水深；ε為有壓短管的垂直收縮系數(shù)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，農(nóng)灌限制水位84.75 m時(shí)，閘門(mén)開(kāi)啟高度0.99 m，過(guò)流能力即可滿足設(shè)計(jì)流量16.38 m3/s要求，死水位84 m時(shí)，開(kāi)啟高度0.06 m即可滿足過(guò)城市供水流量1.32 m3/s的要求，上游水位較高時(shí)，過(guò)流能力更大，設(shè)計(jì)孔口尺寸可以滿足過(guò)流能力要求。

3.2 洞身水面線計(jì)算

灌溉洞為無(wú)壓城門(mén)洞型，鋼筋混凝土襯砌，洞底寬3 m，洞長(zhǎng)363 m，底坡為1/1 155，糙率n=0.014，采用水力學(xué)方法判斷為緩坡，北灌溉洞結(jié)構(gòu)形式為孔口出流+緩坡，洞內(nèi)最大水深為通過(guò)相應(yīng)流量時(shí)的正常水深[5]。計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 灌溉洞洞身水力要素計(jì)算表

計(jì)算結(jié)果為洞內(nèi)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(shè)計(jì)流量13.87 m3/s時(shí)(以灌溉時(shí)水庫(kù)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(jì)算

北灌溉洞檢修門(mén)后通氣孔面積根據(jù)SL 74—2013水利水電鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄B所列公式進(jìn)行計(jì)算。

SL 74—2013水利水電鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄B所列公式為：

經(jīng)計(jì)算，通氣孔面積應(yīng)達(dá)到0.05 m2，閘后設(shè)管徑為DN350的鋼管。

3.4 消能計(jì)算

進(jìn)水塔后產(chǎn)生的水躍按SL 265—2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范附錄B所列公式計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

(4)

Lsj=Ls+βLj

(5)

(6)

經(jīng)計(jì)算，正常蓄水位過(guò)閘流量為加大流量16.38 m3/s時(shí)，躍后水深為3.24 m，大于洞內(nèi)水深2.67 m，進(jìn)水塔后產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，水躍長(zhǎng)度為25.13 m，躍后水深3.91 m，躍后水深時(shí)隧洞內(nèi)洞頂凈空面積不滿足規(guī)范要求，在進(jìn)水塔后設(shè)消力池可同時(shí)解決洞內(nèi)凈空不足和產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍問(wèn)題，故在進(jìn)水塔后設(shè)置消力池，消力池池深0.8 m，池長(zhǎng)16 m，消力池段隧洞襯砌厚度采用1 m[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水力設(shè)計(jì)方案的復(fù)核，此灌溉洞安全性滿足規(guī)范要求，所以此工程設(shè)計(jì)合理。水力設(shè)計(jì)在此次北灌溉洞的設(shè)計(jì)中起到了關(guān)鍵性的作用，對(duì)于確定建筑物的尺寸有著重大的意義。