薛文斌XUE Wen-bin；李宛東LI Wan-dong；杭炯炯HANG Jiong-jiong

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001）

1 工程概況

西南地區(qū)某水庫(kù)擴(kuò)建工程，開(kāi)發(fā)任務(wù)以灌溉、鄉(xiāng)村供水為主，水庫(kù)總庫(kù)容565 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容426 萬(wàn)m3，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模?。?）型，主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)，包括擋水建筑物、泄水建筑物、取水放空建筑物（兼做導(dǎo)流洞）等，大壩為粘土心墻石渣堆石壩，最大壩高52m。

2 泄水建筑物型式選擇

對(duì)于土石壩壩型，一般不容許從壩身溢流，需要在壩體以外的岸邊或者埡口處建造岸邊溢洪道或開(kāi)挖泄水隧洞[1]。開(kāi)敞式岸邊溢洪道可不設(shè)閘門(mén)控制，具有泄流能力強(qiáng)、運(yùn)行操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但本工程左岸為一處古滑坡體，溢洪道布置時(shí)宜避開(kāi)；如在右岸布置泄水隧洞，可減少土石方開(kāi)挖和邊坡防護(hù)工程量，同時(shí)為了兼顧運(yùn)行期管理需要，設(shè)計(jì)采用了溢洪洞方案，控制段采用開(kāi)敞式溢流堰，泄槽采用無(wú)壓流的圓拱直墻斷面型式。

3 溢洪洞設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)狀地形、地質(zhì)條件，隧洞軸線為曲線布置，由進(jìn)口段（控制段和漸變段）、洞身段、挑流消能段及護(hù)坦五部分組成。其中：控制段為開(kāi)敞式無(wú)閘控制堰式進(jìn)水口；為縮小隧洞進(jìn)口尺寸，后接明渠式漸變段；洞身段采用圓拱直墻斷面，主要為Ⅳ~(yú)Ⅴ類(lèi)圍巖，采用鋼筋混凝土襯砌；溢洪洞出口距離樞紐區(qū)建筑物及居民區(qū)較遠(yuǎn)，也無(wú)露天電氣設(shè)備、輸電線路及交通道路，無(wú)明顯霧化影響，出口采用挑流消能。

根據(jù)本工程溢洪洞的運(yùn)行要求，溢洪洞擋水水位為正常蓄水位，滿足水庫(kù)興利要求，并能保障安全下泄設(shè)計(jì)、校核洪水。確定溢洪洞進(jìn)口溢流堰堰頂高程為正常蓄水位901m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)30 年一遇，相應(yīng)洪水位903.05m，下泄流量135m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)200 年一遇，相應(yīng)洪水位903.86m，下泄流量225m3/s。如圖1 所示。

圖1 溢洪洞縱斷面圖

4 堰型對(duì)進(jìn)口段布置的影響

溢洪道進(jìn)口段是溢洪道的龍頭，與控泄流量、保證下游泄槽的流態(tài)有著直接關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予高度重視[2]。WES 型實(shí)用堰較寬頂堰、駝峰堰等堰型流量系數(shù)大，可有效縮小溢流堰堰寬，但堰后銜接為隧洞泄流，過(guò)水?dāng)嗝鎸挾戎饾u減小，堰后漸變段與洞身段坡度變化較大，為避免在洞內(nèi)出現(xiàn)明滿流交替，以防止引起振動(dòng)、空蝕等不利流態(tài)，確定合理的漸變段長(zhǎng)度尤為重要，同時(shí)為了減少靠山側(cè)的開(kāi)挖高度，減少石方開(kāi)挖和邊坡支護(hù)工程量，在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)不同堰型，對(duì)各自的泄流能力、流態(tài)以及其堰后的漸變段長(zhǎng)度進(jìn)行了分析研究。

4.1 泄流能力分析

本次對(duì)常用的WES 實(shí)用堰、駝峰堰和寬頂堰三種堰型，在相同的下泄流量前提下，對(duì)堰寬、堰長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。

①寬頂堰、駝峰堰：

②WES 實(shí)用堰：

式中：Q—流量，m3/s；B—總凈寬，m；b—單孔寬度，m；n—閘孔數(shù)目；H0—計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭，m；m—二維水流WES 流量系數(shù)，查詢(xún)規(guī)范查得；c—上游堰坡影響修正系數(shù)，上游鉛直；ε—閘墩側(cè)收縮系數(shù)；ζ0、ζk—中墩、邊墩形狀系數(shù)，邊墩取0.4，中墩取0.25；σs—淹沒(méi)系數(shù)，1.0。

各種堰型長(zhǎng)度可按下式計(jì)算：

③WES 實(shí)用堰：

堰頭采用3 圓弧曲線；堰后面曲線為：x1.85/（2×2.860.85）=y。

各堰型相同下泄流量下堰寬及堰長(zhǎng)如表1 所示。

表1 各堰型堰寬、堰長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，WES 實(shí)用堰堰長(zhǎng)較長(zhǎng)，但堰寬最小。由于溢洪洞進(jìn)口右岸側(cè)為現(xiàn)狀道路，且無(wú)替代路線，因此選擇WES 實(shí)用堰對(duì)現(xiàn)狀影響最小。

4.2 流態(tài)分析

溢洪洞進(jìn)口溢流堰與洞身泄槽段泄水寬度相差較大，過(guò)堰水流需較大幅度橫向收縮，且水流過(guò)溢流堰后轉(zhuǎn)變?yōu)榧绷鳎魉僭龃?，漸變段內(nèi)流態(tài)邊界條件較復(fù)雜[3]。根據(jù)水面線分析，水流過(guò)堰后其水流流態(tài)主要受漸變段坡度、隧洞坡度、漸變段收縮角度等因素的影響，由于漸變段坡度相比于堰面曲線較緩，因此不可避免水流會(huì)呈一定程度的雍高；而為盡量減小隧洞尺寸，減小洞內(nèi)開(kāi)挖量及隧洞襯砌工程量，漸變段底寬呈橫向收縮，也會(huì)形成局部范圍水流的雍高。

WES 實(shí)用堰堰后水流形態(tài)較好，壓強(qiáng)分布較為理想，負(fù)壓不大，安全性能較好；駝峰堰堰后負(fù)壓受駝峰曲率半徑影響及流速影響較大，為保證堰面負(fù)壓通常需犧牲部分流速；寬頂堰堰后水流形態(tài)較復(fù)雜，受堰后漸變段坡度變化及橫向水面收縮影響后，水流形態(tài)難以控制。

綜合分析后，選用WES 實(shí)用堰對(duì)于堰后流態(tài)最為有利。溢洪洞孔口凈寬21.6m，堰高4.8m，堰長(zhǎng)7.31m。上游垂直，與堰頂采用三段弧銜接。下游堰面曲線為y=x1.85/（2×2.860.85），與下游底板采用圓弧連接，圓弧半徑R=24m。

4.3 進(jìn)口長(zhǎng)度分析

溢洪洞進(jìn)口段長(zhǎng)度除了受堰長(zhǎng)影響，還與漸變段長(zhǎng)度有關(guān)。為使堰后流態(tài)較為理想，需調(diào)整堰后坡度和漸變段收縮程度，而這兩者與漸變段長(zhǎng)度有直接關(guān)系，漸變段長(zhǎng)度與收縮角、坡度呈正相關(guān)。

本工程溢洪洞漸變段長(zhǎng)度需要考慮以下因素：漸變段坡度應(yīng)為陡坡，且坡度不應(yīng)影響過(guò)堰水流下泄；保證洞內(nèi)全程無(wú)壓，不出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象。隧洞軸線為曲線布置，洞內(nèi)最大流速不宜大于25m3/s；靠山側(cè)邊坡開(kāi)挖不應(yīng)破壞現(xiàn)狀盤(pán)山公路。

為選擇合適的進(jìn)口段長(zhǎng)度，并論證無(wú)壓隧洞滿足低流速橫斷面尺寸要求，選擇漸變段和隧洞采用相同的縱坡，漸變段末端寬度按照隧洞寬度5m 控制作為邊界條件，根據(jù)能量方程，采用分段求合法計(jì)算堰后調(diào)整段及洞身泄槽段水面線[4]，以此來(lái)分析確定進(jìn)口段總長(zhǎng)度，成果見(jiàn)表2。

表2 不同進(jìn)口長(zhǎng)度方案對(duì)比表

式中：Δl1-2—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；i—i=sin θ；Jˉ—分段內(nèi)平均摩阻坡降；n—泄槽槽身糙率系數(shù)，取0.014；vˉ—分段平均流速，m/s；—分段平均水力半徑，m。

水面線起始水深h1取用控制段末端收縮斷面處。

式中：q—起始計(jì)算斷面單寬流量，m3/（s·m）；H0—起始計(jì)算斷面渠底以上總水頭，m；θ—底坡角度，°；φ—起始斷面流速系數(shù)，取0.95。

根據(jù)計(jì)算成果，在堰寬及隧洞進(jìn)口寬度一定條件下，漸變段長(zhǎng)度與收縮角成反比關(guān)系，增加漸變段長(zhǎng)度，收縮角度減小，漸變段選擇較小的坡度便能夠滿足泄流能力要求；反之，漸變段長(zhǎng)度減小，收縮角增大，為滿足泄流能力要求，漸變段需保證足夠的坡度。漸變段長(zhǎng)度的增加對(duì)隧洞進(jìn)口靠山側(cè)石方開(kāi)挖和邊坡支護(hù)工程量影響較大，從而增加工程投資成本；但增大縱坡將導(dǎo)致泄槽段洞內(nèi)流速超出設(shè)計(jì)允許值。因此需綜合考慮選擇合理的漸變段長(zhǎng)度。

經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算，確定漸變段收縮角為20°，相應(yīng)漸變段長(zhǎng)度為24.57m，進(jìn)口總長(zhǎng)度為31.88m，隧洞洞內(nèi)水深為5.78m，同時(shí)為避免不同泄流工況下，對(duì)應(yīng)流態(tài)洞口可能出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象，對(duì)隧洞進(jìn)口頂部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用洞高漸變的型式，隧洞直墻高度由6.06m 漸變?yōu)?.0m。

5 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證不同堰型堰后漸變段的水力特性，針對(duì)本工程采用了數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析研究。溢洪洞進(jìn)水口水面線采用恒定流分析，計(jì)算基于一維能量方程，逐斷面采用直接步進(jìn)法推求。計(jì)算公式如下：

式中：Z1、Z2——下斷面和上斷面的水位高程；α1、α2——下斷面和上斷面的流速系數(shù)；v1、v2——下斷面和上斷面的流速；g——重力加速度；hf、hj——上、下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失。

5.1 計(jì)算過(guò)程

本次計(jì)算使用HEC-RAS5.0.7 版本，各版本之間差異不大，計(jì)算過(guò)程相似。計(jì)算步驟如下：

①新建工程項(xiàng)目；

②輸入溢洪洞進(jìn)水口段幾何資料（河段長(zhǎng)度、橫斷面信息、糙率等）；

③輸入水流數(shù)據(jù)和邊界條件（計(jì)算工況、流態(tài)、流量等）；

④進(jìn)行水力計(jì)算；

⑤輸出計(jì)算結(jié)果。

采用HEC-RAS 程序完成進(jìn)水口段建模并輸入相關(guān)邊界條件后，進(jìn)行各工況水面線計(jì)算分析。如圖2 所示。

圖2 HEC-RAS 進(jìn)口段建模及計(jì)算結(jié)果

5.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模型分析結(jié)果，推求的水面線成果與理論公式法成果基本是一致的。如圖3 所示。

圖3 計(jì)算成果對(duì)比分析圖

6 結(jié)論

①中小型水庫(kù)布置泄水建筑物受地形、地質(zhì)條件影響，不具備布置溢洪道條件時(shí)，可考慮采用堰式進(jìn)口的無(wú)壓溢洪洞的型式，可滿足安全泄流和方便運(yùn)行管理的要求。

②WES 實(shí)用堰較寬頂堰、駝峰堰流量系數(shù)大，雖堰體稍長(zhǎng)，但堰寬減小明顯，可大幅減少對(duì)堰體兩側(cè)現(xiàn)狀的影響。同時(shí)WES 實(shí)用堰堰后水流形態(tài)較好，壓強(qiáng)分布較為理想，負(fù)壓不大，安全性能較好。

③WES 實(shí)用堰后漸變段長(zhǎng)度與泄槽隧洞進(jìn)口靠山側(cè)石方開(kāi)挖和邊坡支護(hù)工程量呈正相關(guān)，而與坡度呈反比關(guān)系，但縱坡增大可能會(huì)造成洞內(nèi)流速超出設(shè)計(jì)要求，需綜合考慮選擇合理進(jìn)口長(zhǎng)度。

④為改善高速水流進(jìn)入無(wú)壓隧洞內(nèi)的水流流態(tài)，隧洞進(jìn)口頂部體型應(yīng)結(jié)合水面線成果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用洞高漸變的型式，可有效避免陡坡無(wú)壓隧洞內(nèi)出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象，確保洞身結(jié)構(gòu)安全。