高利寧，苑平永，李增智

（1.淄博市黃河工程局，山東淄博255000；2.中水東北水利水電設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

景中水庫位于舒蘭市環(huán)城街道四方村景中六社屯西，坐落于溪浪河支流沙河的石頭河上。景中水庫是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、養(yǎng)魚等綜合利用的?。á颍┬退畮?。水庫壩型為粉質(zhì)粘土均質(zhì)土壩，壩長264 m，壩頂寬3 m，最大壩高6.12 m，壩頂高程322.2 m。水庫樞紐工程主要由土壩、灌溉洞、非常溢洪道組成。

1 問題的提出

景中水庫是是舒蘭市重要的病險(xiǎn)水庫之一，在2011年5月的大壩安全鑒定中被定為三類壩。一旦發(fā)生潰壩，將沖毀下游耕地700多公頃，對(duì)780余人的生命構(gòu)成極大威脅。

考慮到現(xiàn)有非常溢洪道尾渠緊貼壩腳，泄洪時(shí)嚴(yán)重影響壩體安全，同時(shí)現(xiàn)有灌溉洞破損嚴(yán)重已無法保證正常的蓄水及灌溉，故采用封堵原非常溢洪道，同時(shí)在現(xiàn)灌溉洞處重新修建灌溉泄洪洞的方案，灌溉泄洪洞型式為進(jìn)口段設(shè)置有壓短洞的無壓隧洞。

2 灌溉泄洪洞設(shè)計(jì)

灌溉泄洪洞有壓段長4 m，孔口尺寸為1 m×1.2 m；無壓段長12 m，孔口尺寸為1 m×1.8 m。

2.1 泄流能力計(jì)算

泄流能力計(jì)算分3種情況計(jì)算：

1）當(dāng)水深小于1.2倍洞高時(shí)，按無壓流計(jì)算：

式中：Q——泄流量；b——矩形隧洞過水?dāng)嗝娴膶挾龋? m；σs——淹沒系數(shù)，自由出流取1；m——流量系數(shù)，取0.34；H0——以隧洞進(jìn)口斷面底板高程起算的上游總水頭；g——重力加速度；H——以隧洞進(jìn)口斷面底板高程起算的上游靜水頭；?——?jiǎng)幽苄拚禂?shù)；V——流速。

2）當(dāng)水深大于1.2倍洞高且小于1.5倍洞高時(shí)，按半有壓流計(jì)算：

式中：μ——流量系數(shù)，取0.67；η——洞口水流收縮系數(shù)，取0.74；ω——過水?dāng)嗝婷娣e；a——隧洞出口斷面洞高。

3）當(dāng)水深大于1.5倍洞高時(shí)，按有壓流計(jì)算：

式中：μ——流量系數(shù)，求得0.7255；ω——灌溉泄洪洞出口斷面面積；T0——上游水面與洞出口底板高差，m；hp——灌溉洞出口斷面水流的平均單位勢(shì)；ξi——隧洞第i段上的局部能量損失系數(shù)；Lj——隧洞某一段的長度；Cj——隧洞某一段的謝才系數(shù)；Rj——隧洞某一段的水力半徑。

通過以上公式，得出水位在317.25 m以下時(shí)，景中水庫灌溉泄洪洞為無壓流；水位在317.25～317.60 m之間時(shí)，景中水庫灌溉泄洪洞為半有壓流；水位高于317.60 m時(shí)，景中水庫灌溉泄洪洞為有壓流。景中水庫灌溉泄洪洞泄流能力見表1。

2.2 無壓洞內(nèi)最大水深推求

此次設(shè)計(jì)灌溉泄洪洞豎井段以前為壓力洞，豎井段之后為無壓洞。無壓洞段起斷面尺寸的擬定應(yīng)遵循的原則：為便于豎井閘室銜接，無壓洞斷面扔采用矩形，且底寬扔為1 m；確保泄出上游來量，即壓力洞段所泄流量；確保該洞為無壓洞，防止泄流時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)及空蝕現(xiàn)象，SL279-2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》建議，凈空斷面面積要求大于等于隧洞斷面面積的15%，同時(shí)凈空高度大于等于0.4 m。

表1 景中水庫水位～泄流能力曲線

2.2.1 水面曲線型式的判斷

水面曲線型式的判斷需要先計(jì)算出正常水深h0和臨界水深hk以及臨界坡度ik。

式中：Q——設(shè)計(jì)流量，m3/s；K0——相應(yīng)正常水深的流量率；i——隧洞坡度；ω0——相應(yīng)正常水深的過水?dāng)嗝婷娣e，m2；C0——相應(yīng)正常水深的謝才系數(shù)；R0——相應(yīng)正常水深的水力半徑。

式中：hk——臨界水深，m；q——單款流量，m3/s；α——系數(shù)（α=1.0～1.1）。

式中：ik——臨界坡度；ωk——相應(yīng)臨界水深的過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Ck——相應(yīng)臨界水深的謝才系數(shù)；Rk——相應(yīng)臨界水深的水力半徑。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)水位下灌溉泄洪洞流量為6.48 m3/s，該流量下洞內(nèi)均勻流水深1.27 m，臨界水深1.62 m，臨界坡度0.01，閘后收縮水深1.2 m。因?yàn)樗矶雌露萯=0.02，大于臨界坡度i=0.01，同時(shí)控制水深1.2 m<均勻流水深1.27 m＜臨界水深1.62 m，所以，水面曲線形狀為：緩坡渠道上的CⅡ型壅水曲線。

2.2.2 計(jì)算隧洞出口斷面處水深

水流在洞內(nèi)形成CⅡ型壅水曲線，洞內(nèi)最大水深采用《中小型水庫設(shè)計(jì)》（中冊(cè)）公式（15-10）計(jì)算：

式中：i——涵洞底坡；L0——壅水曲線長度；h0——正常水深；η1——無壓洞進(jìn)口斷面的相對(duì)水深（η1=h1/h0）；η2——無壓洞出斷面的相對(duì)水深（η1=h2/h0）；——L段內(nèi)的動(dòng)能變化值，，其中系數(shù)α為1.0～1.1，C、B及x分別相應(yīng)于平均水深的系數(shù)、洞寬和濕周；φ（η1）、φ（η2）——與 η1，η2及水力指數(shù)X有關(guān)的函數(shù)，可由《中小型水庫設(shè)計(jì)》（中冊(cè)）表14-8查出。

設(shè)無壓洞進(jìn)口水深等于有壓洞段洞高1.2 m，假設(shè)h2計(jì)算壅水曲線長度L0。若算得壅水曲線長度L0＞12 m（無壓洞長度），則表明水躍發(fā)生在無壓洞之外，結(jié)果是合理的。經(jīng)試算推得無壓洞出口處水深h2=1.383 m。此次設(shè)計(jì)取無壓段涵洞高度為1.8 m，凈空高度為0.417 m＞0.4 m，能夠滿足要求。

4 結(jié)語

原水庫在除險(xiǎn)加固前，灌溉洞損壞嚴(yán)重?zé)o法保證正常的蓄水及灌溉，非常溢洪道泄洪時(shí)嚴(yán)重影響壩體安全。封堵原非常溢洪道并興建灌溉泄洪洞后，既保證了正常的蓄水及灌溉，又確保了水庫在泄洪時(shí)壩體的安全。