曹亞莉,王耀偉
(陜西省漢中市水利水電建筑勘測設(shè)計院,陜西 漢中723000)
紅寺壩水庫位于漢江南岸一級支流濂水河上游,總庫容3 381萬 m3,有效庫容2 065萬 m3,死庫容225萬 m3,截止1998年水庫淤積量已達(dá)到931萬 m3,占總庫容的27.54%,水庫年均淤積25萬m3,已嚴(yán)重影響到水庫各項效益的正常發(fā)揮。因此,必須采取排沙減淤工程提高水庫效益,經(jīng)過攔砂壩、排沙洞等多方案比較及論證,最終采用增建排沙洞來排沙減淤,使水庫延長壽命、各項效益能夠早日恢復(fù)。
要最大限度地發(fā)揮排沙洞排沙效率,必須在來水有充分保證的最佳時段前盡快泄空水庫,滿足靈活調(diào)控實現(xiàn)泄空沖刷。紅寺壩水庫排沙洞結(jié)合5~8月?lián)?fù)灌溉任務(wù)的實際情況,除考慮少量的泄洪外,排沙的有利時段主要集中在9~10月,通過對該時段日均流量分級統(tǒng)計,以1981年豐水年為例,出現(xiàn)大于 60 m3/s、40 m3/s、15 m3/s、10 m3/s的天數(shù)分別4 d、9 d、25 d、33 d。委托西北水科所完成了分級流量下沖刷實驗,各級流量的沖刷結(jié)果見表1。
表1 分級流量沖刷結(jié)果匯總表
結(jié)合來水量、沖刷效果,采用《紅寺壩水庫排沙洞規(guī)模的論證》報告推薦結(jié)論,洞徑4 m,泄洪規(guī)模40 m3/s,泄空排沙流量10~40 m3/s。
根據(jù)排沙洞的作用和排沙特點(diǎn),排沙效果大小取決于隧洞進(jìn)口底板高程、泄量和流速。結(jié)合地形及水工模型實驗,泄空沖刷決定了底板進(jìn)口高程,歷時較短的泄空沖刷以溯源沖刷為主,輸沙率按照清華大學(xué)推薦公式計算:
式中:Qsc為輸沙率,Qc為來水流量,J為比降,B為沖刷寬度,K為抗沖系數(shù),其中B、K由西北水科所推薦B=100 m,K=180。由公式可見輸沙率與比降J的1.2次方成正比,即沖刷比降愈大,時段沖沙率愈大,排出的泥砂愈多。而比降與排沙洞進(jìn)口高程密切相關(guān),根據(jù)現(xiàn)有淤積情況,選擇了不同進(jìn)口高程,采用1980年9月發(fā)生的一洪水過程進(jìn)行沖刷實驗,不同進(jìn)口高程排沙效果見表2。
表2 不同進(jìn)口高程的排沙效果表
從表2可見:當(dāng)進(jìn)口底板高程為632.00 m時排沙效果最好,同時泄洪流量也較大,而洞長變化不大,故采用洞底板進(jìn)口高程632.00 m。
排沙洞進(jìn)水口采用喇叭口,頂板和邊墻順?biāo)鞣较蛉媸湛s的平底矩形斷面,頂板和邊墻采用橢圓曲線,對于頂板其曲線方程為X2/4.52+Y2/1.52=1,對于邊墻曲線方程為X2/4.52+Y2/1.1252=1。設(shè)計方案沒有設(shè)防渦設(shè)施,在水工模型實驗過程中,發(fā)現(xiàn)由于受到上游來水不均勻的影響,隨著流量的增加進(jìn)口漩渦直徑及強(qiáng)度亦逐漸加大,并且產(chǎn)生間隙性吸氣漏斗旋渦,它不僅影響進(jìn)水能力,而且會引起進(jìn)口段局部產(chǎn)生負(fù)壓及閘門的震動和閘門槽的氣蝕破壞,因此結(jié)合水工模型需要在進(jìn)水口設(shè)置消渦隔柵,在紅寺壩排沙洞設(shè)計時,設(shè)置了槽面面向水流的三根角鋼,間距20 cm,運(yùn)行后,進(jìn)水口前無貫通性吸氣漏斗旋渦產(chǎn)生,效果良好。
排沙洞要在排沙效果較佳的情況下同時達(dá)到泄量較大,故洞內(nèi)采用明流形式泄流,以便在庫區(qū)內(nèi)形成一定的槽庫容。進(jìn)口段采用平坡方形進(jìn)口形式,為有壓流,為了使泄空沖刷保持較大比降,一般不允許洞內(nèi)雍水,因此有壓洞后接1:20陡坡。隧洞采用城門洞型式,斷面尺寸為寬×高=4.0×4.6 m,直墻高為 2.6 m,拱頂高 2.0 m,拱頂半徑 2.0 m。
排沙洞進(jìn)口有壓洞采用C25鋼筋混凝土襯砌,厚度0.8 m。無壓洞采用C25鋼筋混凝土襯砌,厚度0.5 m。經(jīng)水力計算,各斷面處計算流速均小于不沖流速20 m/s,滿足了抗沖要求,但考慮到泥砂磨蝕作用,洞內(nèi)壁水深變化范圍內(nèi)增加環(huán)氧砂漿抹面,增強(qiáng)抗磨性能。根據(jù)地堪資料,洞身段處于強(qiáng)風(fēng)化區(qū),洞身開挖襯砌完成后采用回填灌漿處理,灌漿范圍在拱頂中心角90°~120°以內(nèi),灌漿孔呈梅花型布置,孔距及排距取3.0 m,灌漿孔深入圍巖10 cm。對于防滲及排水設(shè)施,設(shè)計中考慮了排水孔,排水孔孔、排距3.0 m,入巖3.0 m。
由于排沙洞出口地形條件有限,距離河道近,因此采用了擴(kuò)散式消力池。起始寬度為4.0 m,擴(kuò)散角8°,擴(kuò)散率為1:0.140 5,漸變段長 7.2 m,坡比 1:4,擴(kuò)散段末端寬度為6.0 m。根據(jù)排沙洞的運(yùn)行情況,在高水位(650.5 m)運(yùn)行時,需用閘門控制使下泄流量保持40 m3/s,此時出口流速最大 Vmax=12.12 m/s,陡槽末端水深 hmin=0.825 m,出口消能為最不利情況。經(jīng)過水力計算躍后水深為4.305 m,水躍長度17.7 m,結(jié)合地形件,設(shè)計漸變段、池長共25.5 m。在模型實驗驗證過程中發(fā)現(xiàn)池長稍小,消能不徹底,提出將原設(shè)計消力池末端與下游河道連接的直坎變成1:2.0的反坡的寶貴意見,在設(shè)計時直接采用,達(dá)到了預(yù)期效果。
紅寺壩水庫泄洪排沙洞于2004年投入運(yùn)行,運(yùn)行安全、管理方便,達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期效果。在進(jìn)行排沙洞等涉及復(fù)雜流態(tài)計算設(shè)計工作中,結(jié)合水工模型實驗,在設(shè)計中的排沙洞規(guī)模、進(jìn)口貫通式旋渦及出口消能不徹底的方案擬定及處理措施上,取得了較好的效果。
[1]水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范.SL285-2003[M].北京:中國水利水電出版社.2003.
[2]水工設(shè)計手冊第七卷.水電站建筑物[M].北京:水利電力出版社.
[3]紅寺壩水庫除險加固工程初步設(shè)計報告.漢中市水利水電建筑勘測設(shè)計院.2003.
[4]紅寺壩水庫泄空排沙河工實驗報告.西北水科所.2003.
[5]紅寺壩水庫排沙洞泄流規(guī)模的論證.西北水科所.1991.