重力坝中泄水洞过流能力的计算分析

毕程敏，牛海勇，苏 琴

重力坝中泄水洞过流能力的计算分析

毕程敏1，牛海勇1，苏 琴2

(1.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021；2.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏南京210022)

泄水洞在重力坝中最为常见，水力计算较为重要。本次分析以泄水洞有压流为前提，通过计算最终得出泄流量与闸门开度及上游水位的关系，并采用数值方法进行拟合，通过成果比较得出结论，在一定程度上为水库现场管理提供方便，并为类似工程提供一定参考和借鉴。

泄水洞；水头；流量；数值方法；拟合

重力坝在现在水利工程中较为多见，基本形状呈梯形，上游面前直或稍向上游倾斜，坝底与基岩固结，建成后依靠自身重量来维持稳定。重力坝按泄水条件，可分为溢流坝段、非溢流坝段(也称为挡水坝段)、底孔坝段和电站引水坝段。泄水洞就是底孔坝段的一个组成部分，属于重力坝坝身孔洞的一种，主要用以泄洪、排沙、放空水库等以保证水工建筑物的安全。

泄水洞一般均位于水下，不仅能配合溢流坝泄洪、预泄库水、增大水库调洪能力，并且可以排泄泥沙、减少水库淤积，以延长水库寿命和保证其他建筑物正常运行。泄水洞按孔内水流流态可分为有压洞和无压洞，按其所处的高程可分为中孔洞和底孔洞，按布置层数可分为单层泄水洞和多层泄水洞。在实际工程中，发电洞多为有压洞，其他用途的泄水洞可做成有压的或无压的，但应避免有压和无压交替出现。

泄水洞是水库向下游宣泄洪水的主要通道之一，其所处的工作环境一般较为复杂，孔洞泄水时，水流流速高，容易产生负压、空蚀和振动。因此，泄水洞过流能力计算较为重要，在库水位调整及小洪水下泄中起到重要作用。本文以某工程的泄水洞为例，分析其不同情况下的过流能力。该工程是一座以供水为主，兼顾防洪、发电、旅游等综合利用的中型水利枢纽工程。枢纽工程由大坝、泄水洞、输水洞、发电洞和电站等建筑物组成。考虑水库实际情况，泄水洞按有压洞考虑，并采用数值分析方法对泄水洞过流能力计算成果进行拟合，通过成果对比得出结论，在一定程度上为工程管理提供方便，并为类似工程提供一定参考和借鉴。

1 计算方法

泄水洞水力计算主要依据文献［1，2］中相关公式。根据文献［1］附录A.3.2孔口泄流公式计算泄水洞过流能力，局部损失和沿程损失系数采用文献［2］中的相关损失系数，流量系数采用隧洞有压流计算公式。

1.1 孔口泄流能力

计算公式为：

式中，Q—泄水洞流量，m3/s；A—泄水洞出口面积，m2；Hw—水头，m，自由出流时为洞口中心线处的作用水头；μ—孔口流量系数。

1.2 流量系数μ

计算公式为：

式中，ξi—第i部位局部损失系数；Ai—流速所在断面面积，m2；Lj—泄水洞的长度，m；Aj—断面面积，m2；Rj—水力半径，m；Cj—谢才系数。

2 工程计算

泄水洞纵剖面如图1所示。

本工程中泄水洞进口圆弧翼墙段长2.5m，总宽6.0m，进口闸室为钢筋混凝土结构，长4.5m，净宽2.0m，闸室下游侧设有顶板及胸墙，厚均为0.5m，孔口尺寸2.0m×2.5m(宽×高)，闸底板高程25.95m。胸墙后矩形压力洞为2.0m×2.0m(宽×高)，其后进口渐变段为方变圆混凝土结构，长2.4m，洞身采用内径DN1800mm的钢管，钢管末端距出口闸室1.8m为出口渐变段，钢筋混凝土圆变方结构，断面为1.8m×1.8m。出口结合下游贴坡加固重建工作闸，整体式钢筋混凝土结构，顺水流方向长7.5m，净宽1.8m，闸底板高程26.0m，弧形闸门开启控制泄流量，最大开启高度1.5m。

图1 泄水洞纵断面

2.1 参数选取

泄水洞局部损失：进口ζ为0.5，断面积2m× 3m；门槽ζ为0.2，断面积2.76m×2.5m；胸墙ζ为0.15，断面积2m×2m；进口渐变段ζ为0.05，出口渐变段ζ为0.1，压坡段ζ为0.5，断面积π/4 ×1.82m2。

泄水洞沿程损失：洞长34.5m，直径1.8m，糙率n为0.011，断面积π/4×1.82m2。

2.2 水位资料

水库最大水位为校核洪水位：59.70m，泄水洞下游无水，为自由出流。计算中假定水位每次降幅3m，闸门开度每次提升0.1m。为保证泄水洞内保持有压流流态，上游水头H应大于1.5倍洞高，即水头H＞3.0m。

2.3 计算结果

根据式(1)和式(2)计算得知：水库在校核洪水位59.70m时，泄水洞在不同开度下的流量见表1。

经计算可知，对于泄水洞而言，在同一水位下随着开度的增大，过流面积增大，局部和沿程损失随之增大，流量系数逐渐减小，因过流面积增大幅度大于流量系数减小幅度，故过流量逐渐增加。

表1 泄水洞在校核水位下不同开度时的泄流量成果

在库水位从校核洪水位59.7m按3m梯级落差降至32.7m过程中，对不同水位下泄水洞过流能力分别计算，计算过程与表1基本相同。泄水洞在不同水位不同开度时泄流量计算成果见表2，泄水洞流量与开度、水位关系如图2所示。

表2 泄水洞在不同水位不同开度时泄流量成果

图2 泄水洞流量与开度、水位关系

2.4 最终成果

根据图2中的流量(Q)与开度(e)、水头(H)的关系曲线，采用数值分析方法对成果进行拟合，得到：

式中，Q—泄水洞流量，m3/s；e—闸门开度，即闸门开启高度与最大开启高度的比值；H—水头，m。

式(3)的相关系数达到99.9%，拟合后泄水洞泄流量按公式(3)计算成果见表3。

在给定开度(e)和水头(H)的条件下，可以根据拟合公式直接计算得到泄水洞过流量，减少了繁琐的计算，提高了工作效率，在一定程度上为水库管理带来方便。

4 结论

针对实际工程重力坝设计中泄水洞过流计算的复杂性，对有压泄水洞进行了水力计算，并且对计算结果按照数值分析方案进行了拟合简化，为管理人员在水库运行控制方面提供了方便，可为类似工程提供一定参考和借鉴。当然，计算结果有其局限性，其适用范围为：泄水洞内水流流态为有压流；水库水头H大于3.0m；泄水洞下有无水，为自由出流。

表3 泄水洞按拟合公式计算泄流量成果

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A

1672-2469(2017)03-0051-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.020

2017-01-17

毕程敏(1983年—)，男，工程师。