二甲沟有压灌溉洞设计简述

胥 慧，王 新

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省三江工程建设项目服务中心，哈尔滨 150010)

1 工程简介

二甲沟水库灌溉洞为有压隧洞，布置在坝址右岸山体内，灌溉洞总长148.62m，进口和出口大部分处在全-强风化岩体内，洞身部分大部分处在弱风化岩体内，长度约106.88m。

灌溉洞主要任务以灌溉为主、兼顾释放环境流量及施工期导流，主要由引渠、进水口、灌溉洞、消力池等几部分组成。正常运行时灌溉流量及环境流量总计为18.88 m3/s，施工导流流量为44.38 m3/s，因此，灌溉洞规模由导流控制。二甲沟水库正常蓄水位为148.30m，死水位为134.50m，最小灌溉水位为134.89m。灌溉洞布置示意图见图1。

图1灌溉洞布置示意图

2 隧洞设计

2.1 隧洞进出口高程及纵坡计算

隧洞中心线高程与进、出口水位、隧洞的用途、工作条件和地形地质条件，还与隧洞的路线和其横断面尺寸密切相关，经技术经济比较确定。一般首先拟定隧洞的进出口高程，然后拟定洞线高程。对于有压隧洞在不同种水位和流量数据计算隧洞全长的压力坡线，满足洞顶是都在最低压力坡线以下至少2m。隧洞段的纵坡，考虑运行要求，沿线建筑物的基础高程、上下游的衔接、施工和检修条件等[1]。

有压进水口应低于运行中可能出现的最低水位，要有一定的淹没水深，以避免进水口前出现漏斗状吸气漩涡，在淹没水深上，通常采用戈登公式计算淹没水深Scr：

(1)

式中：Scr为进水口处低于死水位的临界淹没水深；d为闸门的孔口净高度，d=2.4m；C为经验系数，C=0.55；V为闸门断面的水流速度，m/s。

经计算：安全淹没深度为Scr =0.56m，隧洞进口底板高程为131.50m。

确定灌溉洞纵坡为0.5%，出口高程为130.70m。

2.2 灌溉洞过流能力计算

有压隧洞宜采用圆形断面，并且最小直径≥2.0m，根据二甲沟水库施工及运行条件确定以下计算工况：

1)死水位情况，下释放环境流量，环境流量为5.25 m3/s。

2)设计水位情况，下灌溉及释放环境流量，最大流量为18.88 m3/s。

3)导流情况(P=2%)，最大导流流量为44.38 m3/s。

有压隧洞过流能力按照管流计算，其基本计算公式：

(2)

式中：hp为隧洞出口断面水流的平均单位势能，hp=0.5a+P/γ；a为出口断面洞高，2.0m；P/γ为出口断面平均单位压能，灌溉洞出口为自由出流，出口段逐渐收缩改善出口断面与下游边界的衔接条件，使出口顶部负压得以消除，取P/γ=0.5a；Ad为管道出口计算断面面积；Z0为计入行近流速水头的上下游计算水头差；T0为出口底板高程至上游水位并计入行近流速水头的总水头；μ为流量系数。

在自由出流且管道断面沿程不变时流量系数计算公式如下：

(3)

式中：l为隧洞总长度；∑ξ为进口及管内局部水头损失之和；Cd、Rd为谢才系数和水力半径。

计算所需要参数及计算结果见表1。

表1 灌溉洞过流能力计算成果表

经计算：灌溉洞洞径由导流工况控制，洞径D=2.4m，灌溉洞满足导流设计要求，灌溉期运行为保证隧洞出口压力要求，隧洞出口断面宜收缩为洞身断面积的85%-90%，因此，灌溉洞出口洞径D=2.0m，灌溉洞出口段导流后再做衬砌。

2.3 隧洞衬砌结构计算

为了保持围岩稳定，减少洞壁糙率，满足运行所要求的水力学条件，承受岩石压力、水压力，满足防渗、环境保护要求，防止岩石风化、水流冲刷以及温度、湿度、大气等因素对围岩的破坏，需要进行永久衬砌支护[2]。

隧洞衬砌可采用混凝土、钢筋混凝土、钢板等采用，考虑灌溉洞所在位置处围岩地质条件较差，固文章采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度有结构计算确定，初步估算时衬砌厚度可采用直径得1/12-1/16，但为了施工方便，对于单筋断面的衬砌厚度一般≥0.3m，对于双筋断面一般≥0.4m。

圆形有压隧洞，内水压力是衬砌的主要作用，采用面力假设，考虑围岩的弹性抗力。采用理正岩土计算PB1版软件进行隧洞衬砌结构计算。计算参数及结果见表2。

表2 隧洞衬砌计算成果表

3 结 语

结合二甲沟水库工程灌溉洞实际工程，选择圆形有压断面形式，确定隧洞进出口高程、纵坡，计算隧洞过流能力，并且采用理正软件进行隧洞衬砌计算，得到经济合理隧洞布置。同时有压隧洞在运行过程中应该保证充水过程中隧洞的内水压力变化率≤10m/h，排水过程中内水压力变化率为2-4m/h。