进口段设置有压短洞的无压隧洞在水库除险加固中的应用

高利宁，苑平永，李增智

（1.淄博市黄河工程局，山东淄博255000；2.中水东北水利水电设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

景中水库位于舒兰市环城街道四方村景中六社屯西，坐落于溪浪河支流沙河的石头河上。景中水库是一座以防洪为主，结合灌溉、养鱼等综合利用的小（Ⅱ）型水库。水库坝型为粉质粘土均质土坝，坝长264 m，坝顶宽3 m，最大坝高6.12 m，坝顶高程322.2 m。水库枢纽工程主要由土坝、灌溉洞、非常溢洪道组成。

1 问题的提出

景中水库是是舒兰市重要的病险水库之一，在2011年5月的大坝安全鉴定中被定为三类坝。一旦发生溃坝，将冲毁下游耕地700多公顷，对780余人的生命构成极大威胁。

考虑到现有非常溢洪道尾渠紧贴坝脚，泄洪时严重影响坝体安全，同时现有灌溉洞破损严重已无法保证正常的蓄水及灌溉，故采用封堵原非常溢洪道，同时在现灌溉洞处重新修建灌溉泄洪洞的方案，灌溉泄洪洞型式为进口段设置有压短洞的无压隧洞。

2 灌溉泄洪洞设计

灌溉泄洪洞有压段长4 m，孔口尺寸为1 m×1.2 m；无压段长12 m，孔口尺寸为1 m×1.8 m。

2.1 泄流能力计算

泄流能力计算分3种情况计算：

1）当水深小于1.2倍洞高时，按无压流计算：

式中：Q——泄流量；b——矩形隧洞过水断面的宽度，取1 m；σs——淹没系数，自由出流取1；m——流量系数，取0.34；H0——以隧洞进口断面底板高程起算的上游总水头；g——重力加速度；H——以隧洞进口断面底板高程起算的上游静水头；∂——动能修正系数；V——流速。

2）当水深大于1.2倍洞高且小于1.5倍洞高时，按半有压流计算：

式中：μ——流量系数，取0.67；η——洞口水流收缩系数，取0.74；ω——过水断面面积；a——隧洞出口断面洞高。

3）当水深大于1.5倍洞高时，按有压流计算：

式中：μ——流量系数，求得0.7255；ω——灌溉泄洪洞出口断面面积；T0——上游水面与洞出口底板高差，m；hp——灌溉洞出口断面水流的平均单位势；ξi——隧洞第i段上的局部能量损失系数；Lj——隧洞某一段的长度；Cj——隧洞某一段的谢才系数；Rj——隧洞某一段的水力半径。

通过以上公式，得出水位在317.25 m以下时，景中水库灌溉泄洪洞为无压流；水位在317.25～317.60 m之间时，景中水库灌溉泄洪洞为半有压流；水位高于317.60 m时，景中水库灌溉泄洪洞为有压流。景中水库灌溉泄洪洞泄流能力见表1。

2.2 无压洞内最大水深推求

此次设计灌溉泄洪洞竖井段以前为压力洞，竖井段之后为无压洞。无压洞段起断面尺寸的拟定应遵循的原则：为便于竖井闸室衔接，无压洞断面扔采用矩形，且底宽扔为1 m；确保泄出上游来量，即压力洞段所泄流量；确保该洞为无压洞，防止泄流时产生震动及空蚀现象，SL279-2002《水工隧洞设计规范》建议，净空断面面积要求大于等于隧洞断面面积的15%，同时净空高度大于等于0.4 m。

表1 景中水库水位～泄流能力曲线

2.2.1 水面曲线型式的判断

水面曲线型式的判断需要先计算出正常水深h0和临界水深hk以及临界坡度ik。

式中：Q——设计流量，m3/s；K0——相应正常水深的流量率；i——隧洞坡度；ω0——相应正常水深的过水断面面积，m2；C0——相应正常水深的谢才系数；R0——相应正常水深的水力半径。

式中：hk——临界水深，m；q——单款流量，m3/s；α——系数（α=1.0～1.1）。

式中：ik——临界坡度；ωk——相应临界水深的过水断面面积，m2；Ck——相应临界水深的谢才系数；Rk——相应临界水深的水力半径。

经计算，设计水位下灌溉泄洪洞流量为6.48 m3/s，该流量下洞内均匀流水深1.27 m，临界水深1.62 m，临界坡度0.01，闸后收缩水深1.2 m。因为隧洞坡度i=0.02，大于临界坡度i=0.01，同时控制水深1.2 m<均匀流水深1.27 m＜临界水深1.62 m，所以，水面曲线形状为：缓坡渠道上的CⅡ型壅水曲线。

2.2.2 计算隧洞出口断面处水深

水流在洞内形成CⅡ型壅水曲线，洞内最大水深采用《中小型水库设计》（中册）公式（15-10）计算：

式中：i——涵洞底坡；L0——壅水曲线长度；h0——正常水深；η1——无压洞进口断面的相对水深（η1=h1/h0）；η2——无压洞出断面的相对水深（η1=h2/h0）；——L段内的动能变化值，，其中系数α为1.0～1.1，C、B及x分别相应于平均水深的系数、洞宽和湿周；φ（η1）、φ（η2）——与 η1，η2及水力指数X有关的函数，可由《中小型水库设计》（中册）表14-8查出。

设无压洞进口水深等于有压洞段洞高1.2 m，假设h2计算壅水曲线长度L0。若算得壅水曲线长度L0＞12 m（无压洞长度），则表明水跃发生在无压洞之外，结果是合理的。经试算推得无压洞出口处水深h2=1.383 m。此次设计取无压段涵洞高度为1.8 m，净空高度为0.417 m＞0.4 m，能够满足要求。

4 结语

原水库在除险加固前，灌溉洞损坏严重无法保证正常的蓄水及灌溉，非常溢洪道泄洪时严重影响坝体安全。封堵原非常溢洪道并兴建灌溉泄洪洞后，既保证了正常的蓄水及灌溉，又确保了水库在泄洪时坝体的安全。