柏叶口水库泄洪发电洞水力计算

郭春玲

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

柏叶口水库位于吕梁市交城县会立乡柏叶口村上游约500m的文峪河干流上，总库容9712万m3。水库枢纽由大坝、溢洪道、泄洪发电洞和电站组成。泄洪发电洞布置在左岸，其进口距坝轴线210m，出口布置在柏叶口村下游，全长692.2m。泄洪发电洞由进水塔、有压隧洞、出口闸室、明渠泄槽及挑流段组成。泄洪发电洞为有压圆形隧洞，洞轴线为直线，衬砌后直径为5m，进出口底洞高程分别为1068.50m，1055.00m，洞身纵坡2.25%。其任务有预泄库水，增大水库的调蓄能力；放空水库以便检修；排放泥沙，减小水库淤积；施工导流；配合溢洪道渲泄洪水。

2 计算任务及条件

2.1 任务

根据发电洞的运行方式，在各特征水位下分别计算过流能力、各部位的水头损失、沿程压坡线，复核隧洞断面能否满足水利调洪计算要求的泄量，为隧洞的衬砌计算提供依据。

2.2 计算条件

糙率：泄洪洞采用钢筋混凝土衬砌，糙率n=0.014。特征水位见表1。

表1 特征水位表

运行方式：当库水位不超过防洪高水位时，该洞下限流量100m3/s；当库水位达到及超过防洪高水位时，闸门全开，隧洞敞泄；当库水位达到校核洪水位时，该洞泄流量400m3/s。

3 水力计算

3.1 过流能力计算

因设计洪水位与校核洪水位相差不大，本次计算仅考虑校核洪水位的情况。

在校核洪水位时，因下游河床水位低于洞底高程，故隧洞为自由出流。在水库死水位时，洞前水深H=1080.0m-1068.5m=11.5m，大于1.5D=1.5×5m=7.5m，所以按有压洞计算。依据《水力计算手册》，过流能力计算公式为：式中：Q——流量，m3/s；

ω——隧洞出口断面面积，取16m2；

T0——上游水面与隧洞出口底板高程差及上游行近流速水头v2/2g之和。因库水流速v=0，故T0=1136.44m-1055.00m=81.44m；

hp——隧洞出口断面水流的平均单位势能，m；

μ——流量系数，按下式计算：

ξi——隧洞第i段上的局部能量损失系数，与之相对应的流速所在的断面面积为ωi；

li——隧洞第i段的长度，与之相应的断面面积、水力半径和谢才系数分别为ωi，Ri和Ci。

首先确定各局部水头损失系数，列表计算流量系数μ=0.65。代入过流能力计算公式，得出水位—泄量关系曲线，见图1。

图1 水位—泄量关系曲线图

校核洪水位时，该洞泄量Q=405.26m3/s，满足行洪要求。

3.2 压坡线

绘制压坡线的目的在于保证隧洞在运用过程中洞顶始终有一定正压力，避免产生空蚀，并为衬砌设计提供依据。分别按正常蓄水位和校核洪水位考虑。

正常蓄水位：此时，隧洞出口工作闸门关闭，库水位1133.0m，出口闸底板高程1055.0m，洞内水流速v=0。没有局部及沿程水头损失，也无流速水头，故其测压管水头为总水头：H=1133.0m-1055.0m=78m，压坡线为一水平线。

校核洪水位：按隧洞通过设计流量为402m3/s来计算各段的流速水头和水头损失，经计算得：该洞沿程水头损失38.22m，局部水头损失5.52m，出口流速25.33m/s，流速水头32.7m，出口处测压管水头5m，满足《水工隧洞设计规范》洞顶以上应有不小于2m压力水头的要求。

压坡线如图2。

图2 压坡线图

4 结语

经计算，该隧洞校核洪水位时泄量405.26m3/s，大于水力计算要求的400m3/s，满足工程运行要求。

该隧洞正常运行时，压坡线水头为78m，内水压力大，在设计隧洞衬砌时应重视这一因素。

该隧洞局部水头损失5.52m，沿程水头损失38.22m，局部水头损失占全部水头损失的12.6%，所占比例不大，但主要分布在进出口处，尤其是出口部分应采取防空蚀措施。

在校核洪水位时，洞内流速20.65m/s，出口断面流速25.33m/s，均为高速水流。建议做水工模型试验来验证计算结果的合理性。