畢程敏，牛海勇，蘇 琴

重力壩中泄水洞過流能力的計(jì)算分析

畢程敏1，牛海勇1，蘇 琴2

(1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050021；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇南京210022)

泄水洞在重力壩中最為常見，水力計(jì)算較為重要。本次分析以泄水洞有壓流為前提，通過計(jì)算最終得出泄流量與閘門開度及上游水位的關(guān)系，并采用數(shù)值方法進(jìn)行擬合，通過成果比較得出結(jié)論，在一定程度上為水庫現(xiàn)場(chǎng)管理提供方便，并為類似工程提供一定參考和借鑒。

泄水洞；水頭；流量；數(shù)值方法；擬合

重力壩在現(xiàn)在水利工程中較為多見，基本形狀呈梯形，上游面前直或稍向上游傾斜，壩底與基巖固結(jié)，建成后依靠自身重量來維持穩(wěn)定。重力壩按泄水條件，可分為溢流壩段、非溢流壩段(也稱為擋水壩段)、底孔壩段和電站引水壩段。泄水洞就是底孔壩段的一個(gè)組成部分，屬于重力壩壩身孔洞的一種，主要用以泄洪、排沙、放空水庫等以保證水工建筑物的安全。

泄水洞一般均位于水下，不僅能配合溢流壩泄洪、預(yù)泄庫水、增大水庫調(diào)洪能力，并且可以排泄泥沙、減少水庫淤積，以延長(zhǎng)水庫壽命和保證其他建筑物正常運(yùn)行。泄水洞按孔內(nèi)水流流態(tài)可分為有壓洞和無壓洞，按其所處的高程可分為中孔洞和底孔洞，按布置層數(shù)可分為單層泄水洞和多層泄水洞。在實(shí)際工程中，發(fā)電洞多為有壓洞，其他用途的泄水洞可做成有壓的或無壓的，但應(yīng)避免有壓和無壓交替出現(xiàn)。

泄水洞是水庫向下游宣泄洪水的主要通道之一，其所處的工作環(huán)境一般較為復(fù)雜，孔洞泄水時(shí)，水流流速高，容易產(chǎn)生負(fù)壓、空蝕和振動(dòng)。因此，泄水洞過流能力計(jì)算較為重要，在庫水位調(diào)整及小洪水下泄中起到重要作用。本文以某工程的泄水洞為例，分析其不同情況下的過流能力。該工程是一座以供水為主，兼顧防洪、發(fā)電、旅游等綜合利用的中型水利樞紐工程。樞紐工程由大壩、泄水洞、輸水洞、發(fā)電洞和電站等建筑物組成?？紤]水庫實(shí)際情況，泄水洞按有壓洞考慮，并采用數(shù)值分析方法對(duì)泄水洞過流能力計(jì)算成果進(jìn)行擬合，通過成果對(duì)比得出結(jié)論，在一定程度上為工程管理提供方便，并為類似工程提供一定參考和借鑒。

1 計(jì)算方法

泄水洞水力計(jì)算主要依據(jù)文獻(xiàn)［1，2］中相關(guān)公式。根據(jù)文獻(xiàn)［1］附錄A.3.2孔口泄流公式計(jì)算泄水洞過流能力，局部損失和沿程損失系數(shù)采用文獻(xiàn)［2］中的相關(guān)損失系數(shù)，流量系數(shù)采用隧洞有壓流計(jì)算公式。

1.1 孔口泄流能力

計(jì)算公式為：

式中，Q—泄水洞流量，m3/s；A—泄水洞出口面積，m2；Hw—水頭，m，自由出流時(shí)為洞口中心線處的作用水頭；μ—孔口流量系數(shù)。

1.2 流量系數(shù)μ

計(jì)算公式為：

式中，ξi—第i部位局部損失系數(shù)；Ai—流速所在斷面面積，m2；Lj—泄水洞的長(zhǎng)度，m；Aj—斷面面積，m2；Rj—水力半徑，m；Cj—謝才系數(shù)。

2 工程計(jì)算

泄水洞縱剖面如圖1所示。

本工程中泄水洞進(jìn)口圓弧翼墻段長(zhǎng)2.5m，總寬6.0m，進(jìn)口閘室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)4.5m，凈寬2.0m，閘室下游側(cè)設(shè)有頂板及胸墻，厚均為0.5m，孔口尺寸2.0m×2.5m(寬×高)，閘底板高程25.95m。胸墻后矩形壓力洞為2.0m×2.0m(寬×高)，其后進(jìn)口漸變段為方變圓混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)2.4m，洞身采用內(nèi)徑DN1800mm的鋼管，鋼管末端距出口閘室1.8m為出口漸變段，鋼筋混凝土圓變方結(jié)構(gòu)，斷面為1.8m×1.8m。出口結(jié)合下游貼坡加固重建工作閘，整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)7.5m，凈寬1.8m，閘底板高程26.0m，弧形閘門開啟控制泄流量，最大開啟高度1.5m。

圖1 泄水洞縱斷面

2.1 參數(shù)選取

泄水洞局部損失：進(jìn)口ζ為0.5，斷面積2m× 3m；門槽ζ為0.2，斷面積2.76m×2.5m；胸墻ζ為0.15，斷面積2m×2m；進(jìn)口漸變段ζ為0.05，出口漸變段ζ為0.1，壓坡段ζ為0.5，斷面積π/4 ×1.82m2。

泄水洞沿程損失：洞長(zhǎng)34.5m，直徑1.8m，糙率n為0.011，斷面積π/4×1.82m2。

2.2 水位資料

水庫最大水位為校核洪水位：59.70m，泄水洞下游無水，為自由出流。計(jì)算中假定水位每次降幅3m，閘門開度每次提升0.1m。為保證泄水洞內(nèi)保持有壓流流態(tài)，上游水頭H應(yīng)大于1.5倍洞高，即水頭H＞3.0m。

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得知：水庫在校核洪水位59.70m時(shí)，泄水洞在不同開度下的流量見表1。

經(jīng)計(jì)算可知，對(duì)于泄水洞而言，在同一水位下隨著開度的增大，過流面積增大，局部和沿程損失隨之增大，流量系數(shù)逐漸減小，因過流面積增大幅度大于流量系數(shù)減小幅度，故過流量逐漸增加。

表1 泄水洞在校核水位下不同開度時(shí)的泄流量成果

在庫水位從校核洪水位59.7m按3m梯級(jí)落差降至32.7m過程中，對(duì)不同水位下泄水洞過流能力分別計(jì)算，計(jì)算過程與表1基本相同。泄水洞在不同水位不同開度時(shí)泄流量計(jì)算成果見表2，泄水洞流量與開度、水位關(guān)系如圖2所示。

表2 泄水洞在不同水位不同開度時(shí)泄流量成果

圖2 泄水洞流量與開度、水位關(guān)系

2.4 最終成果

根據(jù)圖2中的流量(Q)與開度(e)、水頭(H)的關(guān)系曲線，采用數(shù)值分析方法對(duì)成果進(jìn)行擬合，得到：

式中，Q—泄水洞流量，m3/s；e—閘門開度，即閘門開啟高度與最大開啟高度的比值；H—水頭，m。

式(3)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到99.9%，擬合后泄水洞泄流量按公式(3)計(jì)算成果見表3。

在給定開度(e)和水頭(H)的條件下，可以根據(jù)擬合公式直接計(jì)算得到泄水洞過流量，減少了繁瑣的計(jì)算，提高了工作效率，在一定程度上為水庫管理帶來方便。

4 結(jié)論

針對(duì)實(shí)際工程重力壩設(shè)計(jì)中泄水洞過流計(jì)算的復(fù)雜性，對(duì)有壓泄水洞進(jìn)行了水力計(jì)算，并且對(duì)計(jì)算結(jié)果按照數(shù)值分析方案進(jìn)行了擬合簡(jiǎn)化，為管理人員在水庫運(yùn)行控制方面提供了方便，可為類似工程提供一定參考和借鑒。當(dāng)然，計(jì)算結(jié)果有其局限性，其適用范圍為：泄水洞內(nèi)水流流態(tài)為有壓流；水庫水頭H大于3.0m；泄水洞下有無水，為自由出流。

表3 泄水洞按擬合公式計(jì)算泄流量成果

［1］SL319-2005.混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］李煒.水力計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［3］吳持恭.水力學(xué)(上冊(cè))［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［4］馬文英，劉建中，李顯軍.水工建筑物［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003.

［5］潘家錚.重力壩［M］.北京：水利電力出版社，1983.

［6］汪德爟.計(jì)算水力學(xué)理論與應(yīng)用［M］.南京：河海大學(xué)出版社，1989.

［7］李慶揚(yáng)，王能超，易大義.數(shù)值分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［8］張志涌.精通MATLAB6.5版教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［9］張長(zhǎng)寬.水動(dòng)力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1993.

TV131.4

A

1672-2469(2017)03-0051-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.020

2017-01-17

畢程敏(1983年—)，男，工程師。