楊志明，鄭 洪，詹雙橋，幸 添

(湖南省水利水電勘測設計研究總院， 湖南 長沙 410007)

涔天河水庫擴建工程位于湖南永州市江華瑤族自治縣，為湘江支流瀟水第一個梯級，是具有灌溉、防洪、下游補水、發(fā)電并兼顧航運等綜合利用效益的大(1)型水利水電樞紐工程。水庫正常蓄水位313.0 m，最大壩高114 m，總庫容15.1億m3，灌溉面積7.43×104ha，電站裝機容量200 MW。

大壩為混凝土面板堆石壩，采用兩條高速水流泄洪洞宣泄洪水，其中2#泄洪洞為表孔溢流明流隧洞，采用“龍?zhí)ь^”布置型式與導流洞結合；1#泄洪洞為深孔短管有壓明流隧洞，為了較好地解決摻氣減蝕與混凝土襯砌施工質量問題，開展了“龍落尾”布置型式在高速水流泄洪洞中的應用研究。

1 摻氣減蝕試驗研究

前期設計中，1#泄洪洞采用一坡到底的縱向布置型式，進口底板高程260 m，出口底板高程224.5 m，洞身全長570 m，縱坡6.25%，沿線設置7道摻氣坎槽，出口挑流消能。設計洪水位下，1#泄洪洞下泄流量2 205 m3/s，進口有壓短管出流最大流速約28 m/s，出口挑流鼻坎前最大流速超過33 m/s，全洞大部分洞段流速大于30 m/s，屬高速水流隧洞，抗空蝕要求高。為確保工程運行安全，在進行泄洪洞設計時，從解決泄洪洞防空蝕研究[1-5]入手，開展了一系列的摻氣減蝕試驗研究工作。

長江水科院[6-7]在減壓箱內進行空化模型試驗及摻氣效果驗證時，經過多種不同摻氣坎體型試驗分析表明，在6.25%縱坡隧洞內，各摻氣坎摻氣效果均不理想，坎下摻氣槽極易被底部回流淹沒封堵，難以形成有效空腔，最終不得不局部改變洞身縱坡來保證摻氣效果。試驗推薦的摻氣坎型式及布置為：洞身沿線設置4道型式一致的摻氣坎，間距145 m～155 m；摻氣坎上游20 m洞段為水平段，坎后設5 m平臺，平臺后接30 m長15%的斜坡段，其后再接4.28%的斜坡與下一道摻氣坎上游水平段連接；摻氣坎為“挑跌坎”型式，坎高1.1 m～1.4 m，挑坎為1∶10的反向挑坎，通氣孔尺寸2.0 m×0.9 m，摻氣坎結構形式見圖1。

根據洞身摻氣坎布置及試驗流速分布，由于摻氣坎的小角度挑流作用，坎后水面出現局部升高，相應部位洞頂需進行加高以滿足洞頂余幅要求，試驗推薦的洞身縱向布置見圖2。

圖1選定摻氣坎體型示意圖

圖2試驗推薦洞身布置圖

試驗選定的摻氣坎體型可以形成穩(wěn)定的空腔，摻氣效果較好，但洞身底坡及頂拱采用多段折線布置，無法采用鋼模臺車連續(xù)澆筑混凝土襯砌，施工難度加大，襯砌過流表面平整度難以保證；由于洞身底坡頻繁變化，洞內水面線受多道摻氣坎干擾而極不穩(wěn)定，模型中時有較大水翅發(fā)生，水流流態(tài)紊亂，為此，設計開展了洞身縱向布置優(yōu)化研究。

2 “龍落尾“布置形式

2.1 “龍落尾”布置思路

泄洪洞“龍落尾”布置形式，即上游大部分洞段采用較小縱坡和尾部小范圍洞段采用較大縱坡組合的布置形式。該布置的思路是：首先通過合適的縱坡選擇，盡量控制上游主洞段水流流速相對較小、恒定，避免出現高速水流現象，達到取消摻氣設施、減輕減蝕保護難度的目的；然后將能量集中在尾部設置短陡坡形成高速水流，方便設置摻氣效果良好的摻氣坎，并通過一個摻氣坎對小范圍高速水流區(qū)達到良好的保護效果。

2.2 洞身縱坡選擇

(1) 主洞段縱坡。合理選擇主洞段縱坡，將主洞段水流流速控制在一定范圍內達到減少甚至取消摻氣減蝕設施的目的，同時，控制沿線水面線盡量與底板縱坡平行，即接近均勻流，既可保證主洞斷面一致，方便鋼模臺車連續(xù)施工，又可使洞身獲得最經濟的斷面尺寸。

1#泄洪洞進口底板高程260 m，工作弧形閘門全開時最大出流流速約28 m/s，國內眾多工程經驗及試驗研究表明，該流速已接近不設摻氣設施的砼襯砌泄洪洞流速上限(30 m/s)。因此，上游主洞段縱坡選擇以全線過水斷面均勻、流速在28 m/s左右為原則。采用均勻流公式計算，最終選擇主洞0+000 m至終點0+515 m段縱坡為3.5%，經單體模型試驗驗證，沿程水面線均勻穩(wěn)定，近似均勻流。

(2) “龍落尾”段縱坡。在已經選定的上游主洞段縱坡的基礎上，根據泄洪洞出口地形地質條件，綜合考慮出口挑流消能要求、摻氣保護范圍以及摻氣減蝕效果等因素，并通過模型試驗，最終確定“龍落尾”段縱坡為20%，縱坡長62 m，坡底通過反弧曲線與出口明渠底板228.0 m銜接。

2.3 摻氣坎布置

摻氣坎布置于“龍落尾”陡坡起點0+515 m樁號處，上接3.5%縱坡，下接20%縱坡。經單體模型試驗優(yōu)化，摻氣坎體型采用翼型坎[8-11]，摻氣效果良好，摻氣空腔穩(wěn)定。由于摻氣量明顯加大，將通氣管尺寸加大至2 m×1.6 m。體型示意見圖3，摻氣坎布置見圖4。

圖3摻氣設施體型示意圖

2.4 試驗驗證

(1) 在各庫水位工況下，3.5%縱坡主洞段水流較平順，整個城門洞洞身段的水面均未超出直墻頂部，洞頂余幅均滿足規(guī)范要求。

(2) “龍落尾”布置方案的摻氣坎下能形成穩(wěn)定的空腔，較好地解決了原方案中存在的空腔回溯積水較深的問題，保證了摻氣效果。

圖4摻氣坎布置示意圖

(3) 模型時均壓力測試成果表明，摻氣坎后無明顯不良壓力特性，坎后底板未出現不利的動水沖擊壓力，底坡坡比取值合理。

(4) 通氣管風速及通氣量試驗成果表明，通氣管內的最大風速小于60 m/s。

(5) 摻氣坎后斜坡段內底板摻氣濃度均大于1.5%，空蝕破壞可能性不大；反弧段內(摻氣坎后50.3 m～66.8 m范圍)底板摻氣濃度最小，約為0.3%，仍具有一定的摻氣減蝕效果；而反弧后至挑流坎末端43.9 m范圍的底板摻氣濃度較小，需嚴格控制襯砌表明平整度。

3 結構設計

3.1 摻氣水深計算

對明流泄洪洞，如果摻氣水深估計不足，洞頂余幅留得過小，可能導流明滿流交替現象發(fā)生，水流不間斷擊拍洞壁而威脅洞室安全；而摻氣水深估計過大，又會增大隧洞斷面尺寸，投資增加，造成不必要的浪費。根據《摻氣減蝕模型試驗規(guī)程》[12](SL 157—2010)，模型水流流速大于6.0 m/s時，模型水流摻氣才與原型相似，因本模型(1/40)水流流速未達6.0 m/s，模型試驗無法提出摻氣水深。因此通過計算合理估計高速水流摻氣水深是十分必要的。

3.1.1 計算公式

關于摻氣水深的計算確定，目前主要以經驗公式為主，本文對幾個主要經驗公式[13-16]進行了對比分析。

(1) 公式1(溢洪道設計規(guī)范公式)

(1)

式中：h、hb為泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深，m；v為不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，m/s；ζ為修正系數，可取1.0 s/m～1.4 s/m，流速大者取大值，取1.4。

(2) 公式2(霍爾公式)

(2)

式中：h、hb為計算斷面的水深及摻氣后的水深，m；β為含水比(氣水混合物中水所占的比例)；K為槽壁材料系數，混凝土渠槽取值0.006；v為不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，m/s；R為水力半徑，m。

(3) 公式3(王俊勇公式)

(3)

式中：b為計算斷面底寬，m；n為糙率，取0.014；其它符號意義同前。

3.1.2 計算結果

采用上述經驗公式計算設計水位工況下上游緩坡段摻氣水深，計算結果見表1。

表1 計算摻氣水深對比表

3.1.3 摻氣水深取值

影響水流摻氣的主要因素有泄槽糙率n、弗勞德數Fr、坡度及邊界條件等，1#泄洪洞主洞段具有單寬流量大、底坡小、弗勞德數低及流速高等特點。溢洪道規(guī)范推薦的摻氣水深計算公式考慮影響因素單一，只與流速相關，計算值偏大；霍爾公式考慮了弗勞德數、泄槽粗糙度及流速的影響，計算值居中；王俊勇公式考慮了糙率、弗勞德數、泄槽寬深比及流速的影響，計算值相對較小。涔天河1#泄洪洞主洞段盡管流速較大，但縱坡較緩，過流斷面均勻順直，上游無摻氣設施，自然摻氣條件較差，采用溢洪道規(guī)范公式偏保守。國內小灣電站泄洪洞、黃連山水庫溢洪洞[17]經模型試驗驗證，摻氣水深與霍爾公式計算值較吻合。因此，設計最終采用類似工程采用較多且相對安全的經驗公式——霍爾公式計算摻氣水深、確定洞身斷面尺寸。

3.2 洞身斷面設計

依據水工隧洞設計規(guī)范，高流速無壓隧洞摻氣水面以上的空間宜為斷面面積的15%～25%，且水面不宜越過直墻。

主洞段縱坡3.5%，近似明渠均勻流，斷面流速約28 m/s，摻氣水面以上凈空面積按不小于總斷面面積的25%控制。經沿程計算水面線與模型實測水面線對比分析及摻氣水深計算，確定洞身斷面尺寸10.0 m×13.2m(寬×高)，直墻高度10.5 m，頂拱圓心角112°，設計水位工況下計算摻氣水面以上凈空面積占總斷面面積的26.7%。

“龍落尾”洞段縱坡20%，水流沿程加速，摻氣前清水深應小于上游緩坡段水深，但受摻氣坎挑射及摻氣影響，水面波動較大，試驗實測水面線遠高于計算值，最終根據摻氣坎單體模型試驗成果確定洞身高度16.2 m，直墻高度13.5 m,頂拱角度113.5°，洞身寬度10 m不變。

3.3 摻氣減蝕措施

(1) 襯砌結構。1#泄洪洞洞身圍巖厚層狀砂巖，以Ⅲ類為主，但破碎夾層較發(fā)育，考慮到摻氣水深采用值比溢洪道規(guī)范公式計算小得多，且泄洪時洞內難免產生霧化及偶然水翅，因此，該泄洪洞全斷面采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌底板過流面設置60 cm厚C40HF混凝土，側墻采用常規(guī)C40混凝土，頂拱為常規(guī)C25混凝土，襯砌厚度0.8 m～1.5 m。

(2) 摻氣坎設計。該泄洪洞設置一道摻氣坎，布置于“龍落尾”陡坡起點0+515 m樁號處，上接3.5%縱坡，下接20%縱坡。采用翼型坎結構，挑角反坡1∶10，坎高2.26 m～2.41 m，底部氣腔寬2.0 m～3.5 m，摻氣坎全部采用C40HF混凝土。左右側墻各布置一個2.0 m×1.6 m的通氣孔至洞頂，洞頂設兩個2.0 m×1.6 m的進氣口。

(3) 平整度控制。根據工程運用調研成果，1#泄洪洞過流表面不平整度要求控制在3 mm以內，平整度不達標部位要求通過打磨，使縱向坡度不大于1/40，橫向坡度不大于1/30。

4 結 論

“龍落尾”布置型式在涔天河水庫擴建工程1#泄洪洞的應用，大大縮小了泄洪洞高速水流空蝕影響范圍，優(yōu)化了洞身斷面尺寸，減少了摻氣坎數量，保證了高流速區(qū)的摻氣效果，降低了隧洞襯砌施工難度，加快了施工進度，提高了工程運行安全度，工程效益顯著。該布置型式在高速水流泄洪洞設計中具有一定的借鑒意義。