导流隧洞变为泄洪隧洞的消能方案研究

2016-04-21 07:10黄继宽奎屯农七师勘测设计研究院有限公司

河南水利与南水北调 2016年2期

□黄继宽(奎屯农七师勘测设计研究院(有限公司))

导流隧洞变为泄洪隧洞的消能方案研究

□黄继宽(奎屯农七师勘测设计研究院(有限公司))

摘要：将导流洞改变成泄洪隧洞的过程中，国内外都积极的应用了消能策略。因为导流洞水头大、流速高、出口低，不但容易导致空蚀破坏，还会导致洞内腐蚀，同时，下游水和出口还很难有效的衔接到一起。对此，国内外相关行业及人事都开始投入更多的精力研究消能方案，在改善传统方案的不足之处时发挥着重要的作用。因此，为了能够更加扎实的掌握该项技术，文章通过下文对相关方面的内容进行了探究，从而为有关研究人员在实际工作中提供一定的帮助作用。

关键词：导流隧洞；变为；泄洪隧洞；消能方案

0　前言

将大型水利枢纽修建在大江大河的狭窄河谷上，经常对隧洞导流的方式进行使用。因为大河、大江河流量大，因此，对导流洞的规模上也提出了更高的要求，并且，施工投入较大，所以具备相应的技术难题，此项工程还很难顺利的完成。因此，用泄洪隧洞取代导流隧洞是一个非常可靠的选择。然而，在工程运行中，离不开消能方案的支撑，是完成转换的关键所在，所以需要引起相关部门及工作人员的重视。

1　工程案例分析

导流洞进水口为有压短管进口，其后衔接无压隧洞，隧洞总长690.60 m（平面桩号690.00 m），由闸井段、洞身段（渐变段、直线段、平面转弯段、结合段）、出口暗渠段、消能段、海漫段及出口防冲段组成。

导流洞前段洞身衬砌均采用C25钢筋混凝土，底板厚度40 cm,侧壁厚度40 cm。采用侧壁C30钢筋混凝土作为结合段洞身衬砌均，50 cm厚度；20 cm厚C70硅粉混凝土抗磨层作为底板表面衬砌，30 cm厚C30钢筋混凝土构成下部结构，回填灌浆洞身顶拱，并按照岩石节理裂隙情况，固结灌浆围岩。在洞顶120°范围内，梅花型布置回填灌浆，灌浆孔孔深65 cm，孔径5 cm，深入围岩5 cm，M30为水泥砂浆灌浆材料，分两步进行，灌浆压力0.50 MPa，每排3个孔，孔距3 m。

2　分析转变过程中的消能方案

2.1隧洞洞外效能措施

将启闭机室和工作闸门设置在有压隧洞出口，闸门前有渐变段存在，消能设施一般被设置于出口之后。底流消能和挑流消能是泄洪隧洞出口处的两种重要的消能方式。因为隧洞出口宽度有限，流量的单宽也较大，集中了很多能量，这样常把扩散段设置在隧洞的出口位置，目的是为了将单宽的流量降低。

在隧洞出口高程接近或者高于地下水位时，而且地质条件比较适宜时，对扩散式挑流消能方式进行应用是最为合理的，这种消能方式在国内外都普遍的得到了应用及推广。当河道和隧洞轴线的交角度较小时，可以对斜切挑流鼻坎方式进行使用，这样就能够向着河床中实现偏向挑流，降低对对岸的冲刷。文章以新疆省某水利工程为例，本工程出口消能采用底流式有砍消力池，桩号0+655.50～0+695.50段为抛物线扩散段，底宽由3.00 m渐变到10.00 m，抛物线方程为Y＝0.063X2，抛物线末端接消力池底板；桩号0+695.50～0+760.50段为消力池段，池底高程为1040.00 m，池顶高程为1050.50 m，池长65 m，池宽10 m，池深12.50 m，消力坎高8.50 m。

当存在和下游水位接近的隧洞出口高程时，可以选择平台扩散水跃消能方式，有曲线扩散段、陡坡扩散段、消力池和水平扩散段一同构成了该消能段。水流在出口处离开之后，通过平台以横向的方式向四周扩散，在流经曲线位置完成扩散之后，向着消力池中进入。因为不断扩散的水流，有着较小的单宽流量，这样消力池所需要的长度和深度就会被相应的减少。底流式的消能方式比较可靠、充分，不会过于严重的影响到下游水面的波动。然而，这种消能方通常具备较大的开挖量，施工时间长，材料需要的量多，造价比较高。

现阶段，我们国家还经常对逆波动式消力池进行使用。有一段不大的静水池存在于这种消能结构中，将调流鼻坎设置在了池的末端。在设计流量大于宣泄的流量时，就会有底流水跃在下游中形成。当在设计数值以上存在着流量时，这样就会将水池中的水体被水流推出来，生成挑流。所以，可以确保小流量的情况下在池中也能够完成消能，防止挑射不远或者不能够挑射而对鼻坎末端的地基带来冲刷影响。当选择这种布置方式时，需要进行水工模型试验，以保证在合理的流量下，挑射出水流。

2.2分析消能方式中可能遇到的困难

天然河道河谷的变幅较大，河道狭窄，为了将水利枢纽修建于该地段中，经常会应用导流隧洞的方式。但是，对于泄洞下游，一般消能方式的水流衔接，普通的高程是很难达到的。一旦设计的过程中以底流消能方式去做，由于有着较低的水位在下游，经常需要将较大的消力池挖掘出来，这样就会过多的二次开挖基岩。一旦设计的过程中依据挑流的消能方式，这样由于有过高的水位存在于下游位置，一般下游水面常常低于出口挑流鼻坎，而造成二次浇筑混凝土的混凝土量会比较大。不管是二次开挖基岩，还是二次浇筑混凝土，经常需要在工期吃紧的导流隧道封堵时候完工，所以，就会有一定的技术困难存在于其中，最后就会提升工程的施工成本，难以实现二者之间的相互转换。

通过上述分析能够发现，在将导流隧道变为泄洪隧洞的时候，还存在着一定的技术难题，下游河道水位变幅过大和常规泄洪消能方式之间的矛盾，长期以来都是制约二者转换的一个难题。常规的底流和挑流消能区，一般在泄洪建筑物的外部进行设计，一旦可以找到某种正确的效能方式，将洪水的大部分能量在泄洪建筑物的内部就能够实现消散，这样使剩余量在泄洪建筑出口处就会被逐渐的降低。一些时候，为了实现泄洪的目的，将建筑物的出口少做甚至不做二期工程，这样对于下游水流衔接的要求就能够非常有效的给予满足，这样就能够使二者之间顺利的完成转换，大大的改善了转变中的经济情况，为工程的顺利发展奠定了基础。

2.3分析内部消能方式

内部消能主要是凭借建筑物或者洞内消能的特别构造，迅速的改变水流的形式，这样就会有漩涡等情况出现在水流的内部，将大量的机械能就会集中起来一同消耗掉，从而把一定的压力降低，减缓水流的流速，实现对下游和洞身保护的目的。对消能工从水力学的角度入手进行分析主要表现为：涡旋式消能工、井内对冲水垫塘式消能工、混合交互式内消能工、突扩缩式消能工。

在应用内部泄流方式时，对于其中的力学公式，必须要扎实的进行掌握：

文章以某工程为例，其导流洞进水口为有压短管，底板高程1083.00 m，b×h＝3.00 m×2.50 m为闸孔的尺寸，洞身为无压隧洞，洞身断面为城门洞型。满足进口有压流的最低水位为1087 m，其泄流能力按下式计算。

式中：μ—流量系数，计算取值0.88；H—弧门孔口底板以上水头（m）；h—弧门孔口高度，取值2.50(m)；A—弧门孔口面积，计算取值3.00 m×2.50 m；ε—垂直收缩系数，取值9.14× 10-1。

计算洞身水面线

洞身段水面线按明渠恒定非均匀渐变流水面曲线计算，掺气水深按下式计算：

式中：hb—计入波动及掺气的水深(m)用hb表示;h—不计波动及掺气的水深(m)，用h表示；不计波动及掺气的计算断面上的平均流速(m/s)，用V表示；修正系数，一般取1.00～1.40,本阶段取1.40，用ξ表示。

3　结语

综上所诉，在科技发展的推动下，世界各个国家都在尝试将导流洞改为泄洪隧洞，并且，通过大量的实践证明，这种转换方式是最具经济性的。然而，在以前的转换过程中，却经常的会遇到一些困难，究其原因，主要是将导流洞改为泄洪隧洞的过程中，它的消能方面经常的存在一些困难，容易对工程带来损耗，下游水和出口水衔接起来还比较难，种种原因导致该项工作推进比较困难。因此，为了能够有效的推动我国水利工程系统建设不断的向着高速、稳定的方向发展，文章通过上文就为导流动改为泄洪隧洞的消能方式等方面的内容进行了分析与阐述，从而为有关单位及工作人员在实际工作中提供一定的理论支撑。

参考文献

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（责任编辑：赵鑫）