刚果（金）布桑加水电工程施工导流水力计算

吕晓腾，郭 强

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 工程概况

布桑加水电工程主要由水库、拦河坝、引水发电系统和发电厂房组成。拦河坝位于Lua1aba河上，发电厂房为地下厂房，引水隧洞将Lua1aba河水引至发电厂房，发电尾水通过尾水隧洞和尾水渠流入主河道。

拦河坝施工采用隧洞导流方式，上下游围堰挡水，引水隧洞进口和拦河坝均位于上下游围堰形成的基坑之内。

施工导流分为2个阶段：阶段1，原河床过流，施工导流隧洞，此间导流隧洞施工防洪标准为全年5年一遇洪水，洪峰流量为608.0 m3/s；阶段2，河道截流，截流标准为截流时段频率10%旬平均流量162 m3/s。截流完成后修筑上下游围堰，河水由阶段1 建成的导流隧洞泄流，导流标准为全年10年一遇洪水，洪峰流量673.0 m3/s，坝体拦洪度汛标准为50年一遇洪水，相应洪峰流量为799.0 m3/s，截流初定为7月上旬，截流流量采用10年一遇7月上旬旬平均流量139.0 m3/s。

地下厂房尾水根据布置情况需预留岩坎，尾水施工按照5年一遇洪水标准其洪峰流量为750.96 m3/s，厂房上游存在支流，因此该处流量需考虑支流及主流的流量，此流量大于主河道10年一遇流量。该处施工预留岩坎挡水兼左岸进场道路，待施工完成后将岩坎爆除。

导流隧洞布置在河道左岸，为便于截流和方便施工，经过方案比较，断面采用直墙圆拱型断面，衬砌后洞底宽度为7.0 m、高8.5 m，直墙高6.0 m，中心角142°，拱半径3.7 m。Ⅲ类围岩导流洞衬砌厚度为0.6 m，Ⅳ类围岩导流洞衬砌厚度为0.8 m。支护措施采取喷锚支护，锚杆长度4 m，Ⅲ类围岩间排距1.5 m，Ⅳ类围岩间距1.0 m，喷混凝土厚度10 cm。导流隧洞出口高程按照10年一遇水位标准设置，为满足导流隧洞封堵和蓄水要求，导流隧洞进口设置封堵闸门。

进口底高程763.18 m，出口底高程761.00 m，洞长435.83 m，洞底坡降0.005。

2 水力学计算

2.1 计算目的

本计算主要是对拦河坝施工导流阶段2（河道截流阶段及施工期隧洞导流阶段）导流隧洞的泄流计算，其内容主要包括：

（1）截流时段上游水位计算，以确定截流戗堤顶高程。

（2）设计洪水时上下游水位计算，以确定上下游围堰顶高程。

（3）压坡线计算及流态分析，以验证泄流能力计算的合理性，并为隧洞衬砌设计提供参考。

（4）设计度汛洪水时上下游水位计算，坝体挡水情况下，以确定主坝汛前混凝土浇筑及接缝灌浆施工高程。

（5）根据水力计算结果，确定导流洞下闸蓄水及封堵水头。

2.2 计算方法

考虑到Lua1aba 河河道坡降陡、库容小、基本没有调蓄作用，不再进行调洪演算，直接根据泄流量确定围堰的高程。

判断导流洞在各阶段设计流量下的流态，根据流态采用相应的公式计算其泄流量。其中，无压流计算采用堰流有关计算方法，半有压流计算采用无压流与有压流泄量平缓过渡的现象推求。

2.3 计算过程

2.3.1 流态判别

流态判断是正确选择计算模式和计算公式的前提。据前所述，根据计算目的只需对隧洞通过一定流量时的流态进行判断，从而选择合适的计算方法和公式，进行泄流能力计算。

（1）流态界限。明流至半有压流、半有压流至有压流的界限，常用比值H/d 来判断，H为自隧洞进口底板起算的上游水深，d为洞高。

明流至半有压流的界限除与进口水深和洞径有关外，还与隧洞进口体形、引渠断面、隧洞纵坡等诸多因素有关，难以精确区分。对于陡坡隧洞，工程中常用H/d=1.25 作为无压流至半有压流的界限，即当H/d＜1.25为无压流、H/d＞1.5为有压流。

（2）无压流。首先将隧洞内的水流视为足够长度的明渠流，当通过设计流量时，临界水深（hk）计算公式为：

式中：Q 为设计流量（m3/s）；Bk为临界水深时水面宽度（m）；Ak为临界水深时过水断面面积（m2）；α为动能修正系数；g为重力加速度（m/s2）。

计算通过试算法，可求得截流流量139 m3/s 时临界水深hk＝3.43 m。

正常水深（h0）根据明渠均匀流公式计算：

式中：Q为设计流量（m3/s）；ω为过水断面面积（m2）；C 为谢才系数，，R 为水力半径（m），，n 为糙率，X 为湿周（m）；i 为隧洞底坡，取i=0.005。

经试算，求得截流流量139 m3/s 时的正常水深h0＝2.97 m。

从以上计算可以看出，当隧洞通过截流流量时导流隧洞明渠均匀流正常水深低于临界水深，为陡坡隧洞。

陡坡隧洞出口为非淹没出流。无压流计算公式为：

式中：Q 为下泄流量（m3/s）；H0为上游水面与隧洞出口底板高程差（H）及上游行进流速水头之和（m），取H0≈H；m为流量系数；sσ为淹没系数；b为隧洞过水断面宽度（m）；g为重力加速度（m/s2）。

缓坡长隧洞出口为非淹没出流。其计算公式为：

PIIE：美联储货币政策立场表明美国经济指标良好。5月2日，彼得森国际经济研究所发文称，鉴于当前通胀率接近目标值和低失业率，美国将暂不调整货币政策，但今明两年很可能将采取大规模财政刺激措施。FOMC会议纪要显示，美联储或加快加息进程，并可能在2018年12月份加息。

式中：Q 为下泄流量（m3/s）；φ为流速系数；he为进口断面处的水深（m），按水面线推算；Ae为进口处过水断面面积（m2）；H0为上游水面与隧洞出口底板高程差（H）及上游行进流速水头之和（m），取H0≈H；g为重力加速度（m/s2）。

（3）有压流。有压隧洞出口为非淹没出流。其计算公式为：

式中：Q为下泄流量（m3/s）；μ为流量系数；A为隧洞出口断面面积（m2）；T0为上游水面与隧洞出口底板高程差（T）及上游行进流速水头之和（m）；hp为隧洞出口断面水流的平均势能（m）；g为重力加速度（m/s2）。

经计算，得出设计流量673 m3/s时为有压流，对应的上游水深为22.4 m，水位为785.6 m；对应的度汛流量799 m3/s 时上游水深为29.5 m，水位为792.67 m。

从以上计算可以看出，当隧洞通过截流流量时，采用无压流公式计算得到的上游水位满足H/d＜1.25，均视为明流；当隧洞通过设计流量及度汛流量时满足H/d＜1.5，视为有压流。

2.3.2 导流洞泄流曲线

根据上述无压流及有压流计算，无压流与有压流之间阶段将产生明满流交替的半有压流状态，此阶段采用线性插值，得到水位—泄量关系曲线，如图1所示。

2.3.3 导截流设计

图1 水位一泄量关系

根据上述导流隧洞水位—流量关系曲线，查得截流水位为769.6 m，考虑1.40 m 超高，截流戗堤顶高程为771.00 m。

（2）上游围堰。根据上述导流洞水位—流量关系，即可得到导流洞通过任意流量时对应的上游水位。因此，在10年一遇导流标准情况下，上游水位为785.6 m，则上游围堰顶高程可根据此水位确定。考虑到安全超高0.5 m、风浪爬高1.0 m，上游围堰顶高程确定为787.1 m。

上游围堰采用土石围堰，围堰高35 m，顶宽10 m，在高程771 m 处设置马道，马道宽3.0 m，马道上部边坡1∶2，下部边坡1∶1.5。

围堰防渗马道下部采用高喷防渗，上部接土工膜防渗。

（3）下游围堰。由于在导流洞通过设计流量时下游围堰断面天然河床的水位虽然并不是围堰修建后的水位，但以此水位来确定下游围堰高程其精度是足够的。由于不考虑调蓄作用，通过导流洞的流量为设计流量673 m3/s ，相应围堰处的水位均为761.2 m，下游围堰高程可取为762.7 m。

下游围堰为土石围堰，围堰高8.5 m，顶宽10 m，上下游边坡1∶2。围堰防渗采用高压旋喷防渗。

（4）坝体施工期临时度汛。从第2年6月下旬河道截流到第4年6月上旬导流隧洞下闸封堵，导流时段共23 个月，经过2 个汛期。第1 个汛期围堰刚填筑完成，基坑处于坝基开挖阶段，第2个汛期坝体浇筑高程超过围堰顶高程，需考虑坝体临时度汛，根据《水利水电施工组织设计规范》（SL303－2004）的规定，取临时度汛标准为50年一遇，相应洪峰流量799 m3/s，根据上述水力计算结果可知相应上游水位为792.67 m。因此，坝体临时度汛高程需超过792.67 m，考虑到一定超高，坝体在第2个汛期来临之前需浇筑至795 m以上。

（5）下闸蓄水及封堵。①下闸蓄水。根据施工总进度安排，导流隧洞下闸时间安排在第4年6月上旬进行，为方便下闸采用整体钢闸门。封堵闸门提前安装就位并锁定；导流隧洞下闸标准选择为6月下旬10%的旬平均流量Q= 170.3 m3/s，根据上述计算水位—流量关系可知上游最高水位为769.81 m，下闸水深为6.63 m。导流洞进口闸室施工道路在围堰挡水后失效，启闭机需在围堰挡水前安装完成，启闭机平台按照施工期度汛标准50年一遇设置，因此平台高程设置为784.18 m，可满足启闭机下闸需要。②导流隧洞封堵。根据施工总进度安排，导流隧洞封堵在第4年6—8月进行，施工期为3个月，闸门挡水标准为导流洞施工时段内水库按75%保证率蓄水遭遇20年一遇洪水，闸门挡水时段为6—8月，闸门设计挡水水位为769.81 m，水头为114 m。经计算，封堵体长度为32 m。

3 结语

根据工程规模的大小及工期的长短等情况不同，导流洞的设计洪水标准也不同。导流洞在运行期间，洞内过水流态情况多变，不同时间段洞内的流态也不同，有时为无压流，有时为有压流，也会出现明满流交替的半有压半无压流状态。因此，施工导流水力计算需同时考虑洞内为无压流及有压流的情况，而无压流与有压流之间的过渡段可以取有压流和无压流界限间的直线插值，能满足一般工程的设计要求。

因此，根据不同的流量、流态及对应计算出的水位，可分别得出施工中各个阶段诸如截流、导流、度汛等时期所需的导流建筑物设计高程以及施工各时期所需施工进度要求。

[1]清华大学水力学教研组.水力学（1980年修订版）[M].北京：人民教育出版社，1980.

[2]美国陆军工程兵团著，长江水力水电科学研究院译.水力设计准则（第一卷）[M].北京：水利出版社，1982.

[3]武汉水力水电学院水力学教研室.水力计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006.