开阳县黄里庄排洪工程建筑物设计计算

黄军

摘 要：针对黄里庄排洪工程区可能存在滑塌的问题，本文结合排洪工程整体布置，对排洪隧洞建筑物布置进行了优化调整，并根据水力计算对隧洞细部结构进行了详细论证分析。计算结果表明，排洪隧洞建筑物设计方案经济可行，各项指标均满足规范要求，可为工程施工建设提供重要的技术参考。

关键词：排洪隧洞;引水渠;尾水渠;水力计算

中图分类号：TU82 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）09-0095-03

Abstract： In view of the possible landslide problem in the Huanglizhuang flood drainage project area， this paper combined with the overall layout of the flood drainage project， optimized the layout of the flood drainage tunnel building， and conducted a detailed demonstration and analysis of the tunnel's detailed structure based on hydraulic calculations. The calculation results show that the design scheme of the flood discharge tunnel building is economical and feasible， and all indicators meet the requirements of the specification， which can provide an important technical reference for project construction.

Keywords： flood drainage tunnel;diversion canal;tailrace canal;hydraulic calculation

贵阳市开阳县以33.3 hm2坝区、1 666.7 hm2蔬菜基地建设为契机，在开阳县楠木渡镇、冯三镇、龙岗镇和高寨乡等4个乡镇精心选择了15个地块（耕地面积共计508.9 hm2）开展高标准蔬菜基地建设，即《开阳县万亩蔬菜基地基础设施建设项目（土地平整、排水、田间道路部分）》。黄里庄排洪工程为蔬菜基地建设项目排水子项目的一部分，位于开阳县楠木渡镇黄木村黄里庄组附近，主要解决黄里庄地块及周边耕地的排水问题，涉及耕地总面积为56.7 hm2，其中黄里庄地块面积为35.5 hm2。工程全长为1 253.10 m，由引水渠、隧洞（含进出口渐变段）、尾水渠和陡坡等组成。

1 工程地质条件

测区出露地层有硬质碳酸盐岩及砂岩、页岩组成的碎屑岩，地表形态为岩溶沟谷和弱切割河谷，碳酸盐岩区溶蚀作用强烈，地形相对平缓，未发现岩溶塌陷、崩塌等不良地质现象;碎屑岩地区物理风化作用强烈，河流下切严重，两岸地形坡度比较陡峭，砂岩、页岩暴露，风化加剧，第四系常在雨季易发生滑塌，根据区内地质调查，未发现山体整体变形迹象，但局部有小型浅层滑塌，滑塌方量不大，对工程影响较小，但施工时应特别注意施工安全。

2 排洪工程结构设计计算

2.1 已建黄里庄排洪工程现状

已建黄里庄排洪工程由引水渠、隧洞、尾水渠三部分组成，长度分别为57 m、500 m（不含进出口渐变段）和600 m，总长为1 157 m。下游出口无消能设施。黄里庄排洪隧洞工程建于1997年2月25日，于1997年8月19日完工。通过测量，引水渠进口底板高程为796.31 m，尾水渠出口底板高程为788.31 m，高差为8 m。

引水渠为浆砌石结构，水泥砂浆勾凸缝，断面为倒梯形。经现场测量，断面尺寸如下：底宽为3.6 m，顶宽为7.44 m，高为2.4 m，边墙顶厚为0.5 m，坡比为0.8，平均比降为0.005。现已部分淤积，长有杂物等。

隧洞进出口为混凝土衬砌，断面为圆拱直墙，洞宽为2.0 m，洞高为2.3 m（其中直墙高1.75 m，拱高0.55 m），拱中心角为115°，平均比降为0.005。洞内断面极不规则，底板为混凝土，边墙及顶拱未衬砌，宽为1.8～2.1 m，高为1.8～2.4 m。

尾水渠为浆砌石结构，水泥砂浆抹面，断面为倒梯形，经现场测量，引水渠断面尺寸如下：底宽为2.5 m，顶宽为3.7 m，高为2.4 m，边墙顶厚为0.4 m，坡比為0.25，平均比降为0.008。现已长有杂物等，底板有沉降、裂缝，边墙有裂缝，长有杂物等。出口下游左侧耕地被垮，高约为6 m，宽约为15 m。

2.2 工程等别及洪水标准

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017），保护农田面积小于3 333.3 hm2的，工程等别为Ⅴ等，工程规模为小（2）型。排洪隧洞设计洪水流量介于50～200 m3/s，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017），排洪隧洞主要水工建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。黄里庄排洪工程主要是农田防护，根据《防洪标准》（GB 50201—2014），防护耕地面积小于2万hm2的防洪标准应为10～20年一遇，本工程位于山区，以山洪防护为主要目的，为减小工程投资，设计防洪标准确定为10年一遇洪水频率（[P]=10%），设计洪水流量为108.1 m3/s。

2.3 排洪建筑物优化布置

从投资和施工难度上考虑，隧洞基本沿已建黄里庄排洪工程布置，其比降与已建工程比降一致，出口增设消能措施。黄里庄排洪工程由引水渠、隧洞（含进出口渐变段）、尾水渠和陡坡（含进口段、陡坡段、消力池段与出口段）组成，长度分别为65 m、520 m（其中进口渐变段长15 m，隧洞段长485 m，出口渐变段长20 m）、570 m、98.10 m（其中陡坡进口段长8.60 m、陡坡段长32.5 m、消力池段长30 m、出口段长27 m），总长为1 253.10 m，进出口底板高差为17.865 m。出口至构皮滩水电站正常蓄水位高差为146.635 m，由于末端受地形限制，且构皮滩水电站库区为通航河段，布置消能措施影响通航。所以，出水通过自由泄流至构皮滩水电站库区。

2.4 排洪建筑物水力计算

2.4.1 引水渠及尾水渠水力计算。一是引水渠初拟参数：过水断面为倒梯形，浆砌块石边墙勾平缝，采用混凝土底板，比降为0.005，坡比为0.5。二是尾水渠初拟参数：过水断面为倒梯形，采用混凝土边墙和混凝土底板，比降为0.008，坡比为0.25。由于尾水渠一侧靠山，另一侧为陡坎，采用实用经济断面和最佳水力断面计算的底宽较大，水深较浅，造成靠山一侧开挖量较大或陡坎侧边墙较高[1-2]，因此采用实用经济断面和最佳水力断面计算断面尺寸。梯形渠道實用经济断面根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288—2018）进行计算，结果如表1所示。

由表1可知，引水渠设计断面流速为4.33 m/s，尾水渠设计断面流速为6.79 m/s，均满足不冲流速要求，设计断面经济合理。

2.4.2 隧洞水力计算。黄里庄排洪隧洞按无压隧洞考虑，根据《水工隧洞设计规范》（SL 279—2016）要求[3]，初拟隧洞参数：过水断面为圆拱直墙，采用全断面钢筋混凝土衬砌，比降为0.005，拱中心角为120°，洞宽为4.9 m，洞高为5.2 m，隧洞长为485 m。隧洞进、出口连接段采用扭曲面连接。经计算，隧洞为无压流长洞，陡坡，流态为急流。隧洞按无底坎宽顶堰堰流公式计算过流能力，即

式中，[Q]为计算流量，m3/s;[σ]为淹没系数，取1.0;[ε]为侧收缩系数，取1.0;[m]为流量系数，取0.368;[B]为隧洞底宽，m;[g]为重力加速度，m/s2;[H0]为包括行近流速在内的进口水深，m。

参数[H0]用公式可以表示为：

式中，[H]为上游渠道水深，m;[α]为动能修正系数，取1.05;[υ]为上游行近流速，m/s。

计算流量为108.12 m3/s，过流能力略大于设计流量108.10 m3/s，试算结果满足要求。

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288—2018）及《水工隧洞设计规范》（SL 279—2016）计算，黄里庄排洪隧洞净空高度为1.480 m，不小于0.4 m，满足要求;净空面积比值为22.32%，不小于15%，满足要求。隧洞设计断面参数如下：过水断面为圆拱直墙，采用全断面钢筋混凝土衬砌，比降为0.005，拱中心角为120°，洞宽为4.9 m，洞高为5.2 m，隧洞长485 m，进口内水深为3.720 m，出口内水深为3.440 m。隧洞进、出口连接段采用扭曲面连接，进口连接段长度为15 m，出口连接段长度为20 m。

2.4.3 陡坡水力计算。尾水渠末端设置陡坡消能，陡坡由进口段、陡坡段、消力池段和出口段组成[4-5]，其中，进口段由进口连接渐变段和进口控制段组成，出口段设置海漫。初拟陡坡参数如下：连接渐变段采用扭曲面连接，进口控制段缺口采用矩形断面，缺口宽为3.64 m，底坡坡度比为1.0∶2.5，水流跌差为13 m，陡坡扩散角为6°，下游底宽为10.47 m，陡坡、消力池、出口段均采用矩形断面，采用综合式消力池，底流消能。根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288—2018）计算，上游直线段长度（上游渠道底宽的10倍）为37.5 m，设计取37.5 m。连接渐变段采用扭曲面连接，进口连接段长度根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288—2018）计算，上游渠道底宽与上游渠道水深之比为1.086，其小于2，连接段长度不大于8.633 m，设计取8.60 m。缺口水流流态为自由出流。进口控制段缺口采用矩形断面。陡坡过流能力计算成果如表2所示。

由表2可知，计算流量为108.181 m3/s，大于设计流量108.10 m3/s，满足要求。

2.4.4 消力池水力计算。黄里庄排洪隧洞采用综合式消力池，底流消能。计算坎高为0.437 m，设计取0.42 m。计算池深为2.764 m，设计取2.80 m。计算消力池长度为29.31 m，设计取30.00 m。计算海漫长度为21.85～32.13 m，设计取27 m，末端基础入基岩。

2.4.5 边墙高度计算。引水渠边墙超高根据《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）进行分析，计算堤顶超高为0.517 m，设计堤顶超高取0.60 m。设计水深为3.785 m，设计堤顶超高为0.60 m，计算堤高为4.385 m，设计取4.4 m。尾水渠边墙超高采用引水渠边墙超高形式，设计堤顶超高取0.60 m。设计水深为3.453 m，设计堤顶超高为0.60 m，计算堤高为4.053 m，设计取4.10 m。进口连接渐变段边墙超高、高度与尾水渠边墙超高、高度一致，即边墙超高为0.60 m，边墙高度为4.10 m。进口控制段边墙超高、高度与进口连接渐变段边墙超高、高度一致，即边墙超高为0.60 m，边墙高度为4.10 m。计算陡坡边墙最大高度为3.780 m，考虑与进口控制段和消力池边墙的衔接，边墙高度取3.81 m，末端段高程与消力池边墙顶部高程一致。消力池共轭水深为5.882 m，计算消力池边墙高度为7.382 m，设计取7.40 m。海漫水深为2.570 m，计算边墙高度为3.170 m，设计取3.20 m。海漫首段边墙顶部与消力池边墙顶部连接采用1∶5坡比连接。

3 结论

黄里庄排洪工程主要解决黄里庄地块及周边耕地的排水问题，涉及耕地总面积为56.7 hm2，其中黄里庄地块面积为35.5 hm2。为确保排洪隧洞建筑物结构具有较高的安全稳定性，本研究在排洪工程整体布置和设计计算中进行了详细论证分析，优选合理的设计方案，确保工程施工的高效、优质。工程区碎屑岩物理风化作用强烈，河流下切严重，两岸地形坡度比较陡峭，砂岩、页岩暴露后，风化加剧，第四系常在雨季易发生滑塌，施工时采取“短进尺，弱爆破，强支护，勤观测”的方式掘进，可以满足隧洞建筑物建设要求。水力计算成果表明，采用无压长洞方案，其水头损失较小，隧洞过流、设计流速等指标均满足要求。

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