程曉鳴

·工程設(shè)計(jì)與施工·

重慶市觀景口水利樞紐泄洪放空洞型式選擇與水力分析

程曉鳴

重慶市觀景口水利樞紐水庫(kù)總庫(kù)容為1.52億m3，主壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高為58.9 m。泄洪放空洞為 “三結(jié)合”綜合利用建筑物，除了擔(dān)負(fù)水庫(kù)運(yùn)行期遭遇洪水時(shí)與溢洪道聯(lián)合泄洪外，還在施工前期用于導(dǎo)流度汛，水庫(kù)檢修時(shí)放空水庫(kù)。對(duì)工程泄洪放空洞型式選擇及水力計(jì)算分析進(jìn)行了闡述。

面板堆石壩 泄洪放空洞 型式 水力 觀景口水利樞紐

觀景口水利樞紐是重慶市重點(diǎn)水源工程之一，位于巴南區(qū)五布河干流上，水庫(kù)壩址位于巴南區(qū)東泉鎮(zhèn)上游約4.5 km的雙勝村，距重慶市市中心約55 km。工程的主要任務(wù)以城市供水為主，同時(shí)兼顧沿線小城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)灌溉及農(nóng)村人畜用水。主要供水對(duì)象為重慶市南岸區(qū)的茶園鹿角組團(tuán)、輸水沿線的二圣鎮(zhèn)、惠民鎮(zhèn)及壩下游的東泉鎮(zhèn)等。

重慶市觀景口水利樞紐由水庫(kù)工程和輸水工程組成，水庫(kù)總庫(kù)容1.52億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容1.19億m3。輸水工程線路總長(zhǎng)25.03 km，設(shè)計(jì)輸水流量4.76 m3/s，加大輸水流量5.76 m3/s。工程規(guī)模為大（2）型。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用枯水期20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)五布河洪峰流量為191 m3/s。

工程樞紐由主壩、副壩、溢洪道、泄洪放空洞、輸水建筑物進(jìn)水口及生態(tài)放水管等組成。主壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程283.90 m，防浪墻頂高程285.10 m，防浪墻高1.2 m。壩頂總長(zhǎng)305.1 m，壩頂寬6 m，最大壩高58.9 m，上、下游壩坡均為1∶1.4。

泄洪放空洞為 “三結(jié)合”綜合利用建筑物，除了擔(dān)負(fù)水庫(kù)運(yùn)行期遭遇洪水時(shí)與溢洪道聯(lián)合泄洪外，還在施工前期用于導(dǎo)流度汛，水庫(kù)檢修時(shí)放空水庫(kù)。泄洪放空洞布置在五布河左岸，距大壩直線距離約150 m，為龍?zhí)ь^型式。泄洪洞由引渠段、進(jìn)口控制段、漸變段、洞身段、出口消能段和出口防護(hù)段組成。

1 地形、地質(zhì)條件

壩址區(qū)河谷為基本對(duì)稱的 “V”形谷。左岸地形坡度約為26°，右岸地形坡度20°～30°，兩岸局部地形較陡，坡度大于35°，自下而上逐漸變緩。左岸山頂高程320 m，右岸山頂高程381 m，谷嶺高差150 m左右。

泄洪放空洞洞線與地層走向大角度相交，穿越地層巖性主要為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖、粉砂巖夾砂巖及砂巖等，巖質(zhì)較軟，隧洞圍巖條件較差，且位于地下水位以下。隧洞前半段為NW向，至壩軸線后轉(zhuǎn)為SN向，與巖層走向斜交。

泄洪放空洞埋深30～50 m，進(jìn)口段埋深10～35 m，據(jù)鉆孔地下水位資料，洞室大部分位于地下水位以下，出口部分洞室位于地下水位以上。泄洪放空洞沿線基本為弱風(fēng)化-新鮮圍巖，無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造，成洞條件較好。根據(jù)圍巖分類，進(jìn)口段圍巖類別為Ⅲ類，出口段圍巖類別為Ⅴ類，洞身段圍巖為Ⅲ類和Ⅳ類，Ⅲ類圍巖隧洞長(zhǎng)度66.1 m，占隧洞段長(zhǎng)度 22.15%；Ⅳ類圍巖隧洞長(zhǎng)度181.868 m，占隧洞段長(zhǎng)度60.94%；Ⅴ類圍巖隧洞長(zhǎng)度70.827 m，占隧洞段長(zhǎng)度23.73%。

2 隧洞型式選擇

泄洪放空洞型式選擇結(jié)合導(dǎo)流洞考慮建筑物的布置、泄流能力滿足水庫(kù)放空要求，并充分利用泄洪洞分擔(dān)下泄洪水，以盡量減小溢洪道泄流規(guī)模，從而節(jié)省工程投資。

2.1 進(jìn)口型式及布置選擇

比較方案泄洪放空洞利用導(dǎo)流洞改建而成，進(jìn)口型式分上、下兩層，分別為泄洪放空洞和導(dǎo)流洞進(jìn)口，泄洪洞進(jìn)口在上，導(dǎo)流洞進(jìn)口在下，導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程235.00 m，泄洪放空洞口底板高程246.50 m。推薦方案泄洪洞進(jìn)口高程不變，采用直線布置，設(shè)一個(gè)進(jìn)口，首先滿足正常運(yùn)行的泄洪和放空功能，然后可考慮利用泄洪洞導(dǎo)流，泄洪洞同時(shí)肩負(fù)泄洪、放空和導(dǎo)流功能。

比較方案導(dǎo)流洞洞口較低，導(dǎo)流泄流能力相對(duì)較大，圍堰較低。但該方案需要在下閘蓄水時(shí)封堵導(dǎo)流洞進(jìn)口至龍?zhí)ь^豎向轉(zhuǎn)彎段的部分，進(jìn)口段洞室較大，封堵混凝土工程量較大，相應(yīng)施工難度增加，并且由于進(jìn)口段巖體覆蓋層較薄，存在一定施工風(fēng)險(xiǎn)。推薦方案導(dǎo)流洞進(jìn)口抬高，圍堰加高，但該方案省去了封堵體混凝土和封堵閘門(mén)，同時(shí)避免了洞室交叉帶來(lái)的施工風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 進(jìn)口工作閘門(mén)型式選擇

泄洪放空洞工作閘門(mén)可選擇弧形閘門(mén)或平板閘門(mén)控制型式，弧形閘門(mén)可以局部開(kāi)啟控制泄量，增加水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行的安全性，便于運(yùn)行管理，但需布置相對(duì)較大的閘室和交通系統(tǒng)，相應(yīng)閘門(mén)豎井工程量和投資較大。平板閘門(mén)布置相對(duì)簡(jiǎn)單，閘室和閘門(mén)豎井工程量和投資相對(duì)較小，但平板閘門(mén)較難控制泄量，只能通過(guò)全開(kāi)或全關(guān)調(diào)整控泄，且難以避免局部開(kāi)啟時(shí)較大的震動(dòng)區(qū)，給水庫(kù)運(yùn)行管理帶來(lái)諸多不便，對(duì)工程運(yùn)行安全不利。為了確保水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行的安全性，便于后期運(yùn)行和工程管理，泄洪放空洞進(jìn)口工作閘門(mén)型式選擇可控泄的弧形閘門(mén)型式。

2.3 隧洞有壓或無(wú)壓型式選擇

有壓隧洞泄流能力大，單寬流量大，相應(yīng)下游消能防沖設(shè)施工程量較大，且有壓隧洞對(duì)襯砌防滲和埋深要求較高，本工程所處地質(zhì)條件相對(duì)較差，樞紐擋水壩壩型為面板堆石壩，工程風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大；對(duì)于放空功能，泄量大，將頻繁啟閉控泄，操作困難，下游消能防沖壓力大。對(duì)于無(wú)壓隧洞，泄流能力相對(duì)較小，但相對(duì)下游消能防沖設(shè)施工程量較小，工程運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較小，隧洞選擇無(wú)壓型式。

經(jīng)對(duì)兩方案主體工程投資進(jìn)行對(duì)比，比較、推薦方案工程投資分別為3 254萬(wàn)元和2 987萬(wàn)元，推薦方案在工程投資方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。泄洪放空洞采用一個(gè)洞口兼有導(dǎo)流功能、進(jìn)口設(shè)弧形工作閘門(mén)、前端有壓后部無(wú)壓隧洞型式。

3 泄洪放空洞水力分析

3.1 泄量

泄洪放空洞進(jìn)口為有壓進(jìn)水，工作閘門(mén)后進(jìn)入洞身段為無(wú)壓流。泄量采用有壓流計(jì)算公式。

式中 μ——流量系數(shù)；

A——隧洞出口斷面面積；

T0——由有壓短管出口的閘孔底板高程算起的上游水庫(kù)水深，m；

hp——隧洞出口斷面水流的平均勢(shì)能。

經(jīng)計(jì)算各水頭下泄流流量見(jiàn)表1。

3.2 水面線

表1 泄洪放空洞泄量計(jì)算成果表m3/s

式中 φ——流速系數(shù)；

q1——“龍?zhí)ь^”末端斷面單寬流量；

ΔH——閘孔收縮斷面與計(jì)算斷面之間底板高程差；

hc——閘孔收縮斷面水深；

vc——閘孔收縮斷面流速。

隧洞內(nèi)臨界水深計(jì)算公式：

式中 hk——隧洞內(nèi)臨界水深；

q1——洞內(nèi)單寬流量。

隧洞內(nèi)摻氣水深計(jì)算公式：

式中 ha——摻氣后的水深；

h、v、R——未摻氣水流的水深、流速、水力半徑；

Δ——表面的絕對(duì)粗糙度，Δ=0.002 m。

泄洪放空洞進(jìn)口龍?zhí)ь^末端水深、正常水深、臨界水深計(jì)算成果見(jiàn)表2。

由于h1＜h0＜hk，故洞內(nèi)水面線型式為c2型壅水曲線。經(jīng)計(jì)算無(wú)壓流斷面出口最小凈空為29.0%，滿足15%~25%的要求。

根據(jù)泄洪放空洞水工模型試驗(yàn)成果，當(dāng)水庫(kù)為設(shè)計(jì)水位281.32 m時(shí)，試驗(yàn)流量為575.00 m3/s，比設(shè)計(jì)流量 506.00 m3/s大 14.1%，流量系數(shù) μ=0.917；當(dāng)水庫(kù)為校核水位283.03 m時(shí)，試驗(yàn)流量為590.00 m3/s，比設(shè)計(jì)流量521.00 m3/s大13.9%，流量系數(shù)μ=0.917。各工況泄量均大于設(shè)計(jì)計(jì)算值。

表2 泄洪放空洞特征水深計(jì)算成果表

根據(jù)泄洪放空洞出口段水工模型試驗(yàn)水面線成果，下泄校核洪水工況下，出口處水深為5.13 m，對(duì)應(yīng)無(wú)壓流斷面出口最小凈空24.26%，滿足15%~25%的要求。

3.3 消能工設(shè)計(jì)

消能工型式的選擇遵循消能充分、流態(tài)好，并與下游水位平順銜接，對(duì)河床及兩岸沖刷小，并利于檢修的原則。根據(jù)本工程地形、地質(zhì)條件，由于下游尾水位較低且壩基巖體飽和抗壓強(qiáng)度較低，綜合確定泄洪放空洞采用坎式消力池的底流消能。

泄洪放空洞消能計(jì)算成果表見(jiàn)表3。

表3 泄洪放空洞消能計(jì)算成果表

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)重慶市觀景口水利樞紐泄洪放空洞的型式比選，針對(duì)工程特點(diǎn)，較好地選擇了泄洪放空洞的型式。通過(guò)對(duì)該型式隧洞的水力理論計(jì)算與分析，對(duì)比水工模型試驗(yàn)成果，印證了設(shè)計(jì)的正確性。

目前，該項(xiàng)目已通過(guò)相關(guān)部門(mén)的審批，進(jìn)入工程實(shí)施階段。

程曉鳴 男 教授級(jí)高級(jí)工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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