有压+无压泄水形式在福溪水库防洪能力提升中的应用

刘 婷,孙 甜,张 冬

(1.中电建新能源集团有限公司 华东分公司,杭州 310014;2.浙江大禹信息技术有限公司,杭州 310002;3.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司,杭州 310002)

1 项目现状

提升流域防洪能力的方法一般有“蓄、滞、分、泄”[1]。而对于已建水库工程,可考虑增加预泄措施,从而提升其防洪能力。

福溪水库位于浙江省乐清市仙溪镇上游约5km的大荆溪上福溪支流中游,坝址集水面积39.17km2,始建于1959年。2010年除险加固后,总库容2 270×104m3,水库枢纽工程包括主坝、副坝、溢洪道、泄洪放空洞(现有D1.6～1.9m、进口闸门井底高程191.944m的泄洪放空洞)、输水隧洞、发电厂和升压站等建筑物。现有泄洪放空洞作为放空水库和预泄洪水用,不参与泄洪。泄洪放空洞出口设工作闸门一扇,孔口尺寸1.5m×2.0m(宽×高)。

根据浙江省水利厅《关于开展大中型水库防洪能力提升有关工作的通知》,提升水库防洪能力是流域、区域防洪减灾的需要,也是适应经济社会持续发展迫切需求和提高“两个高水平”建设水利保障能力的重要手段。为了进一步提高应对各类突发水雨情的预泄调度,进一步提升预泄能力,为水库防洪调度能力提升提供充足裕度,需新建预泄设施,经复核,新建预泄设施需满足水位225.31～228.31m之间保证泄流量200m3/s。

2 总体设计思路

采用“龙抬头”[2]方式改建原导流洞为泄放洞,作为水库预泄设施。在上游合适位置设置上平洞、闸门井及斜洞段,斜洞段与原有导流洞衔接;出口段适当调整轴线,并设置相应的消能设施,从而形成完整的泄洪通道。

新建泄放洞总长约327m(其中利用原导流洞118m,出口扩挖段26m),主要包括进口段(包括闸门井前平洞段)、闸门井段、上平洞段、斜洞段、原导流洞段及出口段。见图1。

图1 新建泄放洞布置示意图(单位:m)

新建泄放洞进口桩号范围为泄0-075.31～泄0+000.00,底板高程208.70m,长约75.31m。进口采用岩塞爆破,设计岩塞长度约7.5m,直径5.0m,下设集渣坑。之后为新开上平洞段,采用圆形断面型式。隧洞采用C35W6F50砼衬砌,衬后洞径5.4m。泄0-010.00～泄0+000.00为圆变方渐变段,由5.4m的圆洞变为4.3m×3.9m(高×宽)的方洞,以便与闸门井衔接。

闸门井段位于泄0+000.00-泄0+009.77。根据闸门结构及启闭设备布置要求,闸室段长9.77m,宽6.30m。检修闸门和工作闸门孔净尺寸为3.9m×4.3m(宽×高)。工作门后设压坡段,桩号范围为泄0+006.72～泄0+011.77,坡度1∶5,长5m,此段为方洞型式,采用C35W6F50砼衬砌,衬后洞径3.9m×4.3m～3.9m×3.3m(宽×高)。

压坡后为上平洞段45.08m,坡度5%。其中,设渐变段10m,桩号范围为泄0+011.77～泄0+021.77,由方洞变为城门洞,后接35.08m的平洞段和46.32m的斜坡段,随后进入原导流洞。平洞段衬后洞径5.4m。

斜洞段位于泄0+056.85～泄0+096.73,坡比1.25:1,底高程范围206.45～186.02m。本段断面为城门洞型,衬后洞径5.4m。

利用原导流洞段的桩号范围为泄0+096.73～泄0+215.50,紧接泄0+215.50m～泄0+241.62m为出口扩挖段约26m,末端做宽11.36m的挑流鼻坎,将水流挑入下游深潭。

3 水面线衔接计算

3.1 有压洞压力余幅验算

闸门井前为有压洞段,需满足压力余幅要求[3]。新建泄放洞有压段水流可视为均匀流,其水头损失包含两部分:沿程水头损失和局部水头损失[3],具体计算方法可参考《水工隧洞设计规范》(SL 279-2016)。

新建泄放洞有压段计算结果如下:总水头损失5.07m,则有压洞段洞顶最小压力水头(最低预泄水位225.31m工况下)为225.31-(208.70+5.4)-5.07=6.14m>2m,满足压力余幅要求。

3.2 无压洞水面线计算

闸门井后隧洞内水流为无压流,首先根据闸门后收缩断面水深、能量方程[4]及明渠流量公式[5]确定上平洞的起始断面水深、正常水深、临界水深[6],进而判断其水面线类型;再由能量方程推算上平洞段其他断面水深,得到上平洞的水面线。同理,推算斜洞段、原导流洞段各断面水深及水面线[7]。

闸孔后收缩断面水深3.3m,即上平洞的起始断面水深。

无压洞洞内正常水深计算公式:

式中:Q为洞内流量,m3/s;A为过水断面面积,m2;C为谢才系数;R为水力半径;i为纵坡。

无压洞洞内临界水深(考虑为矩形断面)计算公式如下:

式中:hk为临界水深;q1为“龙抬头”末端断面单宽流量;g为重力加速度。

棱柱形明槽中的恒定渐变流[8],水深h的沿程变化率计算公式如下:

式中:h为某断面水深;Q为断面流量;n为糙率,混凝土衬砌取0.014。

水流掺气水深[9]计算公式如下:

式中:h、hb为计算断面的水深及掺气后的水深,m;v为不掺气情况下计算断面的流速,m/s;ζ为修正系数,可取1～1.4s/m,流速大者取大值。

根据该泄放洞的工作条件,设计工况取为以下3种:①预泄工况,水位范围225.31～228.31;②上游为设计洪水位工况(233.11m);③上游为校核洪水位工况(234.36m)。

各工况上平洞段始端水深计算结果见表1。

表1 上平洞段始端水深计算成果表

由于h0

表2 斜洞段始端水深计算成果表

由于h0

表3 下平洞段始端水深计算成果表

由于h1

1) 上平洞段水面线计算结果见表4。

由表4可知,当泄放洞参与调洪,上游遭遇最高水位为校核洪水位时,最大下泄流量为261m3/s,上平洞内最大掺气水深为3.88m。而上平洞衬后洞径为5.4m,洞内水面上净空为洞身面积的22.1%(>15%),且洞内水面上净空1.52m(>0.4m),其余工况洞内水面上净空面积均大于洞身面积的15%(且水面上净空大于0.4m),因此上平洞在各工况下均满足无压流要求。

2) 斜洞段水面线计算结果见表5。

表5 斜洞段各断面水深计算成果表

由表5可知,当泄放洞参与调洪,上游遭遇最高水位为校核洪水位时,最大下泄流量为261m3/s,斜洞段内最大掺气水深3.71m。而斜洞段衬后洞径为5.4m,洞内水面上净空为洞身面积的26.5%(>15%),且洞内水面上净空为1.69m(>0.4m),其余工况下洞内水面上净空面积均大于洞身面积的15%(且水面上净空大于0.4m),因此斜洞段在各工况下均满足无压流要求。

3) 下平洞段水面线计算结果见表6。

表6 下平洞段各断面水深计算成果表

由表6可知,当泄放洞参与调洪,上游遭遇最高水位为校核洪水位时,最大下泄流量为261m3/s,下平洞内最大掺气水深为2.678m。而下平洞衬后洞径为5.4m,洞内水面上净空为洞身面积的48.5%(>15%),其余工况下洞内水面上净空面积均大于洞身面积的15%,因此下平洞在各工况下均满足无压流要求。

4)洞内水头与洞顶或边墙顶的关系见图2。

图2 洞内水头(或水面线)与洞顶(或边墙顶高程)关系曲线图

4 结 语

本文基于水力学原理,结合水库预泄要求,改建原有导流洞为泄放洞,作为水库预泄设施。通过设置合理的闸孔尺寸和底板高程,在满足泄流量的要求下,使泄放洞形成闸前有压短洞+闸后无压洞的泄流型式。结果表明,泄放洞在设计工况下洞内水面线衔接良好,各洞段水流流态满足要求。

该泄水形式应用于福溪水库,将原导流洞“变废为宝”,在尽可能节约投资的情况下提升了水库预泄能力,为水库防洪调度能力提升提供裕度。