張 磊

（陜西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001）

1 泄洪排沙洞工程概況

亭口水庫(kù)工程位于咸陽市長(zhǎng)武縣境內(nèi)涇河一級(jí)支流黑河下游，工程是以彬長(zhǎng)礦區(qū)煤礦工業(yè)區(qū)及彬、長(zhǎng)兩縣城鎮(zhèn)居民生活供水為主，兼顧減淤、發(fā)電的Ⅱ等大(2)型工程。水庫(kù)正常蓄水位為893.00m，總庫(kù)容2.43億m3。樞紐建筑物由大壩、泄洪排沙洞、溢洪道、輸水洞、壩后電站等五部分組成。泄洪排沙洞位于大壩右岸，靠近大壩壩肩布置，運(yùn)行期承擔(dān)著水庫(kù)泄洪排沙的任務(wù)，施工期導(dǎo)流度汛。泄洪排沙洞在結(jié)構(gòu)上采用導(dǎo)流、泄洪和水庫(kù)排沙一洞三用的布置型式。泄洪排沙洞洞身橫斷面為7.5×10.565m圓拱直墻型，設(shè)計(jì)洪水位下泄流量Q設(shè)=1075.8m3/s，校核洪水位下泄流量Q校=1129.1m3/s。

1.1 工程地質(zhì)條件

泄洪排沙洞位于壩址右岸黃土梁上，進(jìn)、出口分布有黑河三級(jí)階地。樁號(hào)0+000～0+234.32m洞室圍巖厚度16.2m～30.0m，為微風(fēng)化礫巖及砂巖；巖層近水平，裂隙不發(fā)育，巖體完整，飽和抗壓強(qiáng)度Rb=20.0MPa～20.5MPa，圍巖類別為局部穩(wěn)定性差的Ⅲ類；圍巖堅(jiān)固系數(shù)f=3～4，單位彈性抗力系數(shù)KO=7.0MPa/cm～8.0MPa/cm。樁號(hào)0+234.32～0+260m洞室圍巖厚度7.7m～16.2m，為弱～微風(fēng)化礫巖及砂巖；巖層近水平，裂隙不發(fā)育，巖體完整，飽和抗壓強(qiáng)度Rb=18.0MPa～20.5MPa，圍巖類別為Ⅲ～Ⅳ類；圍巖堅(jiān)固系數(shù)f=2～4，單位彈性抗力系數(shù)KO=2.0MPa/cm～8.0MPa/cm，圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，可能會(huì)發(fā)生較大規(guī)模的變形破壞。樁號(hào)0+260～0+266m為出口明渠段：渠底基礎(chǔ)為微風(fēng)化砂礫巖，承載力特征值fak=1800kPa～2500kPa；渠道兩側(cè)邊坡上部Q3風(fēng)積黃土，結(jié)構(gòu)松散，下部為強(qiáng)～弱風(fēng)化砂礫巖。樁號(hào)0+266m～0+283.7m為挑流鼻坎段：地基巖性為弱～微風(fēng)化砂礫巖。弱風(fēng)化巖體質(zhì)量類別為Ⅳ類，承載力特征值fak=1200kPa～2000kPa；微風(fēng)化巖體質(zhì)量類別為Ⅲ類，承載力特征值fak=1800 kPa～2500kPa。樁號(hào)0+283.7～0+292.7為護(hù)坦段，地基巖性為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，巖體承載力特征值 fak=500kPa～600kPa。

1.2 工程總體布置

泄洪排沙洞位于樞紐右岸緊靠大壩，由于運(yùn)行期泄洪流速較高，洞線平面布置采用直線，洞軸線在平面上與壩軸線成90°夾角。整個(gè)泄洪排沙洞由進(jìn)口放水塔、洞身段、出口明渠段、挑流鼻坎段、護(hù)坦段以及下游先鋒渠等部分組成，全長(zhǎng)544.7m（洞水平投影），其中洞身段長(zhǎng)260m。根據(jù)水庫(kù)泥沙物模試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合實(shí)際地形情況，將排沙洞軸線選擇在靠近主河道的位置，運(yùn)行排沙效果較好，終極庫(kù)容較大。平面布置圖如圖1所示，縱剖面如圖2所示。

圖1 泄洪排沙洞平面布置圖

樁號(hào)0-032.00～0+000.00段為放水塔，塔體由兩個(gè)矩形閘門井組成，檢修門槽及之后底板及側(cè)墻過水部位預(yù)埋不銹鋼板內(nèi)襯，以滿足高流速抗沖耐磨需要，塔內(nèi)布設(shè)事故檢修平板鋼閘門和弧形工作鋼閘門各一扇，孔口尺寸寬×高分別為7.0m×7.8m和7.0m×7.0m。

樁號(hào)0+000.00～0+260.00段為洞身段，總長(zhǎng)260m，圓拱直墻斷面，斷面凈尺寸寬×高為7.5m×10.565m,洞底比降前240m為1/100，后20m為1/20，進(jìn)出口底板高程分別為856m和852.6m。

樁號(hào)0+260.00～0+266.00段為出口明渠段，總長(zhǎng)6m，矩形斷面，寬×高為7.0m×9.4m，比降 1/20。

樁號(hào)0+266.00～0+283.70段為復(fù)合型挑流鼻坎，長(zhǎng)17.7m，底部反弧半徑R=27m，最大挑射角θ=34.651°，坎頂高程為857.055m，出口采用弧形擴(kuò)散，平面圓弧半徑7.5m。右側(cè)為直邊墻，擴(kuò)散角9.594°，斜長(zhǎng)15.00m；左邊墻采用R=20m，θ=38.244°的圓弧進(jìn)行擴(kuò)散，邊墻頂高程為862.00m。底板中部開設(shè)分流槽，槽前寬度5.0m，末端斷面為梯形，上口寬4.0m，底寬2.5m。

圖2 泄洪排沙洞縱剖面圖

樁號(hào)泄0+283.70～泄0+292.70段為護(hù)坦段，長(zhǎng)9m，寬31m，護(hù)坦頂高程851.80m，厚度1.0m，表面0.5m采用C40HF砼，底部C25砼，護(hù)坦末端采用鉛絲籠塊石護(hù)腳。

圖3 泄洪排沙洞水位～下泄流量關(guān)系曲線

2 建筑物等級(jí)及防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）的有關(guān)規(guī)定，確定亭口水庫(kù)樞紐工程為Ⅱ等大(2)型工程。泄洪排沙洞工程按二級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，抗震按6度設(shè)防。

按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）和《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）的規(guī)定，泄洪排沙洞按100年一遇洪水1075.8m3/s設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水1129.1m3/s校核；出口消能防沖的洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇；施工導(dǎo)流為10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。

3 水力設(shè)計(jì)

3.1 泄流能力計(jì)算

泄洪排沙洞為半有壓短隧洞，泄流能力根據(jù)不同洞前水深，分別按底坎為寬頂堰的堰流和壓力孔流計(jì)算，堰流和壓力孔流的臨界值按下式計(jì)算：

式中：e——孔口高度；

H——孔口前水深（m）。

經(jīng)計(jì)算，庫(kù)水位在856m～866m時(shí)，其泄流能力按底坎為寬頂堰的堰流計(jì)算，庫(kù)水位在866m～896.16m時(shí)其泄流能力按壓力孔流計(jì)算

堰流計(jì)算公式如下：

式中：Q——下泄流量（m3/s）；

m——流量系數(shù)，取m=0.35；

B——孔口寬度（m），取B=7.0m；

H——孔口前水深（m）。

壓力孔流計(jì)算公式如下：

式中：Q——泄流量（m3/s）；

m——流量系數(shù)，取m=0.9；

B——孔口寬度（m）；

e——孔口高度（m）；

H——孔口前水深（m）；

ε——水流垂向收縮系數(shù)，ε=1。

（1）施工導(dǎo)流期過流

導(dǎo)流期相應(yīng)的洪峰流量為Q=1270m3/s，根據(jù)調(diào)洪計(jì)算，洞前水位864.70m。導(dǎo)流洞最大下泄流量Q＝281.40m3/s，經(jīng)水力計(jì)算，洞內(nèi)水深3.8m，洞內(nèi)平均流速10.1m3/s。

（2）度汛期

截流后第一個(gè)汛期壩體的施工度汛由圍堰承擔(dān)，此時(shí)壩前水位為864.70m，導(dǎo)流洞的下泄流量Q＝281.40m3/s；第二個(gè)汛前壩體填筑高度已至壩頂。根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL303-2004)第3.2.16條規(guī)定，壩體臨時(shí)度汛標(biāo)準(zhǔn)為100～50年一遇洪水度汛標(biāo)準(zhǔn)。本工程采用100年一遇洪水度汛標(biāo)準(zhǔn)，其相應(yīng)的洪峰流量為Q＝4030m3/s。此時(shí)壩體臨時(shí)斷面擋水，經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，壩前水位為872.40m，導(dǎo)流洞的下泄流量為Q＝651.90m3/s。

（3）運(yùn)行期

經(jīng)計(jì)算，在校核洪水位896.35m時(shí)泄洪排沙洞最大下泄流量Q=1129.1m3/s。泄洪排沙洞水位～下泄流量關(guān)系曲線見圖3。

通過模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)方案在各種特征水位下的實(shí)測(cè)流量與設(shè)計(jì)流量對(duì)比，總體差異不大，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 洞內(nèi)流態(tài)及水面線

在初設(shè)階段對(duì)洞內(nèi)水面線進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果：在校核洪水泄量下，洞內(nèi)最大摻氣水深為7.548m，洞身斷面直墻高度8.40m，凈空面積占隧洞斷面面積的21.5%，滿足《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL279-2002）規(guī)定的高速水流無壓隧洞摻氣水面以上的凈空要求。

經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，泄洪洞斷面平均最大水深7.23m，摻氣后最大水深8.13m，不超過直墻高度8.4m，凈空面積占隧洞斷面面積的18%，滿足設(shè)計(jì)泄洪要求，洞身平均流速不超過26m/s，水流平順，校核洪水位弧門全開時(shí)沿程中線壓強(qiáng)為4.61kPa～9.63kPa，壓強(qiáng)較高，不存在負(fù)壓區(qū)，因此不需加設(shè)摻氣槽。

深孔閘門后洞內(nèi)無壓流的流速較大，水流摻氣水深計(jì)算采用下面公式：

式中：ha——摻氣后的水深；

h、v、R——分別為摻氣前的水深、流速及水力半徑；

K——普 通 砼 取0.004～0.006，取0.005。

3.3 進(jìn)口體型驗(yàn)證

3.4 出口消能

模型試驗(yàn)對(duì)可研階段出口設(shè)計(jì)體型、挑流流態(tài)、沖刷坑、河道出流總體驗(yàn)證，主要問題有：①小流量過水不暢，發(fā)生回流、壅水；②挑流流態(tài)偏集中，水蛇摻合偏大，消能效果較差；③設(shè)計(jì)護(hù)坦范圍偏小，特別是兩側(cè)，由于回流淘刷，沖刷嚴(yán)重；④下游河道出流不暢。

經(jīng)調(diào)整優(yōu)化后的泄洪排沙洞出口采用底板反弧擴(kuò)散式設(shè)分流槽鼻坎，經(jīng)消能計(jì)算與模型試驗(yàn)，最終確定的設(shè)計(jì)體型導(dǎo)流期小流量順暢下泄，泄洪時(shí)，挑流流態(tài)水蛇分散，挑距約60m，沖刷坑位于護(hù)坦下游30m處，距建筑物出口較遠(yuǎn)，下游回流沖刷狀態(tài)有所改善，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 高流速情況下抗空蝕設(shè)計(jì)

根據(jù)水工模型試驗(yàn)泄洪排沙洞內(nèi)最大流速為25m/s，為了防止高速水流對(duì)泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)的空蝕破壞，在抗空蝕和抗沖磨方面分別采取如下措施：

（1）優(yōu)化體型設(shè)計(jì)

通過分析、計(jì)算或比較流速和泄量相近的同類工程的經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的體形尺寸，并經(jīng)過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證泄洪洞在渲泄各種工況泄量時(shí)洞內(nèi)過流面壓力分布正常且不產(chǎn)生超過混凝土允許的負(fù)壓力。

（2）控制水流邊壁平整度

泄洪排沙洞在高流速運(yùn)行狀態(tài)下，混凝土內(nèi)壁出現(xiàn)任何凸凹不平體都可能造成空蝕破壞，因此對(duì)洞內(nèi)各個(gè)斷面特別是水流流速很高的部位要嚴(yán)格控制不平整度，嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)定執(zhí)行。

（3）選用高強(qiáng)抗沖耐磨混凝土

在水工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參照《水工混凝土抗沖磨防空蝕技術(shù)規(guī)范》對(duì)泄洪建筑物適當(dāng)部位選用HF高強(qiáng)耐磨混凝土以提高其抗空蝕耐磨性能，延長(zhǎng)維修周期，提高工程運(yùn)行安全度。

4 結(jié)語

亭口泄洪排沙洞在設(shè)計(jì)過程中通過水力學(xué)計(jì)算與水工模型試驗(yàn)成果驗(yàn)證，對(duì)存在的結(jié)構(gòu)、體型不合理部分進(jìn)行修改、優(yōu)化，使各種水力流態(tài)下泄洪排沙洞進(jìn)流、過流、消能狀態(tài)有較大改善，趨于合理，避免了高速水流對(duì)泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)的空蝕破壞，保證了設(shè)計(jì)的可靠性。泄洪排沙洞自竣工以來，到目前一直安全運(yùn)行。陜西水利

[1]水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(SL/T 191-96[S].

[2]楊宗仁，金盆水利樞紐泄洪洞水力設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介[J]，電網(wǎng)與清潔能源，2009年第1期.