出山店水库北灌溉洞水力设计方案

杨 洋

(华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450000)

1 工程概况

出山店水库是淮河干流上的大型防洪控制工程，工程位于河南省信阳市境内，坝址在京广铁路以西14 km的出山店村附近，距信阳市约15 km，出山店以上河长约100 km，控制流域面积2 900 km2。出山店水库工程的主要任务为以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电等综合利用。出山店水库有供水、灌溉任务，每年向信阳市供水8 000万m3，其中淮河北岸向明港镇供水2 950万m3，时段最大供水流量1.32 m3/s，受水区地面高程在80 m左右；向淮河南岸的信阳市老城区和羊山新区供水5 050万m3，时段最大供水流量2.1 m3/s，受水区地面高程在79 m左右。根据出山店水库灌区布置，灌区总土地面积607 km2，总耕地面积50.6万亩，灌区分淮南和淮北两部分，其中淮南灌区土地面积340 km2，耕地面积30.6万亩，淮北灌区土地面积267 km2，耕地面积20万亩。灌区地面高程在83.0 m以下。

为满足灌溉和供水要求，结合水库的特征水位和受水区的地面高程，确定设南、北两个灌溉洞，渠首水位需不低于83.5 m。北灌溉洞是为灌溉淮北灌区和明港镇供水而设置的，设计流量13.87 m3/s，加大流量16.38 m3/s；淮北灌区自流灌溉的设计渠首水位为83.5 m，北灌溉洞出口水位不能低于83.5 m[1]。

2 工程布置

北灌溉洞的工程布置包括引渠段、闸室控制段、洞身段、消能段和出口扭曲面段五部分[2]。

2.1 引渠段

桩号北灌0+000以上为引渠段。引渠段位于左坝头上游缓坡，地面高程82.0 m～95.0 m。引渠段中心线长度为437.0 m，渠道底高程81.50 m，桩号0+045前横断面底宽5 m，两侧边坡坡比采用1∶2.5，在86.50 m高程设置2 m宽马道，马道以上边坡坡比为1∶3。渠底为平底，因受地形限制，在桩号北灌0+120.98～桩号北灌0+045段设置平面弯道，弯道半径60 m，圆心角为72.55°。桩号北灌0+045～桩号北灌0+015段为扭曲面，桩号北灌0+015处高程86.5 m以下为矩形断面，扭曲面段长30 m。桩号北灌0+000～0+015为收缩段，渠道底宽由5 m渐变至3 m，高程86.5 m以下采用矩形断面，在86.50 m高程设置2 m宽马道，马道以上边坡坡比为1∶3。

2.2 控制段

北灌0+000～北灌0+014为闸室段。闸室段采用岸塔式进口，后接无压洞。闸室段长为14 m，底板宽为9 m，设一道工作门槽和一道事故检修门槽，工作闸门采用弧形钢闸门，孔口尺寸为3 m×2.3 m(宽×高)，事故检修门采用平板钢闸门，孔口尺寸为3 m×2.5 m(宽×高)。进水塔上部设有检修平台和工作平台。工作平台通过交通桥与左坝头地面连接，交通桥采用钢架桥，总跨度56 m。检修门槽宽0.51 m，深0.36 m，采用后止水结构，边墩上部厚0.6 m，闸底板厚1.5 m，宽8 m。闸门井采用现浇C25钢筋混凝土结构，混凝土闸门井上部设检修平台和工作平台，检修平台高程为96.5 m。另设有液压机放置平台，平台高程92 m，工作平台即启闭房地面高程为101.6 m，与大坝防浪墙墙顶高程一致，屋顶高程为106.40 m，层高4.8 m，墙体采用砖混结构，墙厚24 cm。屋顶为现浇钢筋混凝土结构。检修闸门后设通气孔，通气孔采用钢管，管径350 mm。

2.3 洞身段

桩号北灌0+014～北灌0+377为洞身段，洞身段长度363 m，其中桩号北灌0+014～北灌0+022为8 m长的渐变段，洞身由矩形渐变为城门洞形。桩号北灌0+014～北灌0+030.5为无压城门洞形隧洞，该段为塔后消能段，底高程80.50 m，桩号北灌0+030.5～0+369段段底高程由81.3 m渐变至81.0 m，洞身比降1/1 155，洞宽3 m，洞高3.8 m，其中直墙高3.15 m，拱矢高0.9 m，顶拱半径1.7 m，顶拱中心角124°，洞身衬砌厚度为0.6 m，材料均为C30钢筋混凝土。

2.4 扩散段

桩号北灌0+377～北灌0+399.7为扩散段。扩散段长22.7 m断面底宽由3.0 m扩散为8.0 m。扩散段横段面形式为U型槽，槽顶高程为86.00 m。

2.5 出口扭曲面段

桩号北灌0+399.7～北灌0+429.7为出口扭曲面段，长30.0 m。扭曲面底板采用C20混凝土浇筑，扭曲面为M7.5浆砌石砌筑，扭面由竖直面扭变为1∶2边坡与下游渠道相连，底宽由8.0 m渐变为4.0 m，扭曲面顶高程为86.0 m，在86.0 m高程设置2 m宽马道，马道以上边坡坡比为1∶3，采用厚300 mm的M7.5浆砌石护砌。北灌0+429.7以下为灌溉引水渠道。

3 水力设计

水力计算包括过流能力计算、洞身水面线计算、通气孔孔径计算及消能计算[3]。

3.1 过流能力计算

北灌溉洞控制段采用压力短管体形，根据规划要求，北灌溉洞设计流量13.87 m3/s，加大流量16.38 m3/s，在农灌限制水位84.75 m时，应保证灌溉洞可通过加大流量，在死水位84 m时，应保证可通过供水设计流量1.32 m3/s。为满足过流要求，同时方便施工，选定压力短管控制孔口尺寸3 m×2.3 m(宽×高)[4]。

有压短管出流计算公式为：

其中，μ为流量系数；σ为淹没系数；B为孔口宽度，3 m；e为闸门开度；H为上游水深，由有压短管出口的闸孔底板高程算起的上游库水深；ε为有压短管的垂直收缩系数。

经过计算，农灌限制水位84.75 m时，闸门开启高度0.99 m，过流能力即可满足设计流量16.38 m3/s要求，死水位84 m时，开启高度0.06 m即可满足过城市供水流量1.32 m3/s的要求，上游水位较高时，过流能力更大，设计孔口尺寸可以满足过流能力要求。

3.2 洞身水面线计算

灌溉洞为无压城门洞型，钢筋混凝土衬砌，洞底宽3 m，洞长363 m，底坡为1/1 155，糙率n=0.014，采用水力学方法判断为缓坡，北灌溉洞结构形式为孔口出流+缓坡，洞内最大水深为通过相应流量时的正常水深[5]。计算成果见表1。

表1 灌溉洞洞身水力要素计算表

计算结果为洞内水深分别为2.67 m。灌溉洞洞身直墙部分高2.8 m满足要求。灌溉洞最大水深以上净空面积为2.61 m2，洞身断面面积为10.62 m2，净空面积与洞身断面面积的比值为0.24，洞身断面满足规范要求的掺气水面以上空间为0.15～0.25的要求。

设计流量13.87 m3/s时(以灌溉时水库向明港正常供水)，隧洞出口水位为83.51 m，略高于灌渠渠首要求水位83.5 m，可以满足灌溉要求。

3.3 通气孔孔径计算

北灌溉洞检修门后通气孔面积根据SL 74—2013水利水电钢闸门设计规范附录B所列公式进行计算。

SL 74—2013水利水电钢闸门设计规范附录B所列公式为：

经计算，通气孔面积应达到0.05 m2，闸后设管径为DN350的钢管。

3.4 消能计算

进水塔后产生的水跃按SL 265—2001水闸设计规范附录B所列公式计算。

(1)

(2)

(3)

(4)

Lsj=Ls+βLj

(5)

(6)

经计算，正常蓄水位过闸流量为加大流量16.38 m3/s时，跃后水深为3.24 m，大于洞内水深2.67 m，进水塔后产生远驱式水跃，水跃长度为25.13 m，跃后水深3.91 m，跃后水深时隧洞内洞顶净空面积不满足规范要求，在进水塔后设消力池可同时解决洞内净空不足和产生远驱式水跃问题，故在进水塔后设置消力池，消力池池深0.8 m，池长16 m，消力池段隧洞衬砌厚度采用1 m[6]。

4 结语

通过对水力设计方案的复核，此灌溉洞安全性满足规范要求，所以此工程设计合理。水力设计在此次北灌溉洞的设计中起到了关键性的作用，对于确定建筑物的尺寸有着重大的意义。