楊 洋

(華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450000)

1 工程概況

出山店水庫是淮河干流上的大型防洪控制工程，工程位于河南省信陽市境內，壩址在京廣鐵路以西14 km的出山店村附近，距信陽市約15 km，出山店以上河長約100 km，控制流域面積2 900 km2。出山店水庫工程的主要任務為以防洪為主，結合供水、灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用。出山店水庫有供水、灌溉任務，每年向信陽市供水8 000萬m3，其中淮河北岸向明港鎮(zhèn)供水2 950萬m3，時段最大供水流量1.32 m3/s，受水區(qū)地面高程在80 m左右；向淮河南岸的信陽市老城區(qū)和羊山新區(qū)供水5 050萬m3，時段最大供水流量2.1 m3/s，受水區(qū)地面高程在79 m左右。根據(jù)出山店水庫灌區(qū)布置，灌區(qū)總土地面積607 km2，總耕地面積50.6萬畝，灌區(qū)分淮南和淮北兩部分，其中淮南灌區(qū)土地面積340 km2，耕地面積30.6萬畝，淮北灌區(qū)土地面積267 km2，耕地面積20萬畝。灌區(qū)地面高程在83.0 m以下。

為滿足灌溉和供水要求，結合水庫的特征水位和受水區(qū)的地面高程，確定設南、北兩個灌溉洞，渠首水位需不低于83.5 m。北灌溉洞是為灌溉淮北灌區(qū)和明港鎮(zhèn)供水而設置的，設計流量13.87 m3/s，加大流量16.38 m3/s；淮北灌區(qū)自流灌溉的設計渠首水位為83.5 m，北灌溉洞出口水位不能低于83.5 m[1]。

2 工程布置

北灌溉洞的工程布置包括引渠段、閘室控制段、洞身段、消能段和出口扭曲面段五部分[2]。

2.1 引渠段

樁號北灌0+000以上為引渠段。引渠段位于左壩頭上游緩坡，地面高程82.0 m～95.0 m。引渠段中心線長度為437.0 m，渠道底高程81.50 m，樁號0+045前橫斷面底寬5 m，兩側邊坡坡比采用1∶2.5，在86.50 m高程設置2 m寬馬道，馬道以上邊坡坡比為1∶3。渠底為平底，因受地形限制，在樁號北灌0+120.98～樁號北灌0+045段設置平面彎道，彎道半徑60 m，圓心角為72.55°。樁號北灌0+045～樁號北灌0+015段為扭曲面，樁號北灌0+015處高程86.5 m以下為矩形斷面，扭曲面段長30 m。樁號北灌0+000～0+015為收縮段，渠道底寬由5 m漸變至3 m，高程86.5 m以下采用矩形斷面，在86.50 m高程設置2 m寬馬道，馬道以上邊坡坡比為1∶3。

2.2 控制段

北灌0+000～北灌0+014為閘室段。閘室段采用岸塔式進口，后接無壓洞。閘室段長為14 m，底板寬為9 m，設一道工作門槽和一道事故檢修門槽，工作閘門采用弧形鋼閘門，孔口尺寸為3 m×2.3 m(寬×高)，事故檢修門采用平板鋼閘門，孔口尺寸為3 m×2.5 m(寬×高)。進水塔上部設有檢修平臺和工作平臺。工作平臺通過交通橋與左壩頭地面連接，交通橋采用鋼架橋，總跨度56 m。檢修門槽寬0.51 m，深0.36 m，采用后止水結構，邊墩上部厚0.6 m，閘底板厚1.5 m，寬8 m。閘門井采用現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土結構，混凝土閘門井上部設檢修平臺和工作平臺，檢修平臺高程為96.5 m。另設有液壓機放置平臺，平臺高程92 m，工作平臺即啟閉房地面高程為101.6 m，與大壩防浪墻墻頂高程一致，屋頂高程為106.40 m，層高4.8 m，墻體采用磚混結構，墻厚24 cm。屋頂為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構。檢修閘門后設通氣孔，通氣孔采用鋼管，管徑350 mm。

2.3 洞身段

樁號北灌0+014～北灌0+377為洞身段，洞身段長度363 m，其中樁號北灌0+014～北灌0+022為8 m長的漸變段，洞身由矩形漸變?yōu)槌情T洞形。樁號北灌0+014～北灌0+030.5為無壓城門洞形隧洞，該段為塔后消能段，底高程80.50 m，樁號北灌0+030.5～0+369段段底高程由81.3 m漸變至81.0 m，洞身比降1/1 155，洞寬3 m，洞高3.8 m，其中直墻高3.15 m，拱矢高0.9 m，頂拱半徑1.7 m，頂拱中心角124°，洞身襯砌厚度為0.6 m，材料均為C30鋼筋混凝土。

2.4 擴散段

樁號北灌0+377～北灌0+399.7為擴散段。擴散段長22.7 m斷面底寬由3.0 m擴散為8.0 m。擴散段橫段面形式為U型槽，槽頂高程為86.00 m。

2.5 出口扭曲面段

樁號北灌0+399.7～北灌0+429.7為出口扭曲面段，長30.0 m。扭曲面底板采用C20混凝土澆筑，扭曲面為M7.5漿砌石砌筑，扭面由豎直面扭變?yōu)?∶2邊坡與下游渠道相連，底寬由8.0 m漸變?yōu)?.0 m，扭曲面頂高程為86.0 m，在86.0 m高程設置2 m寬馬道，馬道以上邊坡坡比為1∶3，采用厚300 mm的M7.5漿砌石護砌。北灌0+429.7以下為灌溉引水渠道。

3 水力設計

水力計算包括過流能力計算、洞身水面線計算、通氣孔孔徑計算及消能計算[3]。

3.1 過流能力計算

北灌溉洞控制段采用壓力短管體形，根據(jù)規(guī)劃要求，北灌溉洞設計流量13.87 m3/s，加大流量16.38 m3/s，在農(nóng)灌限制水位84.75 m時，應保證灌溉洞可通過加大流量，在死水位84 m時，應保證可通過供水設計流量1.32 m3/s。為滿足過流要求，同時方便施工，選定壓力短管控制孔口尺寸3 m×2.3 m(寬×高)[4]。

有壓短管出流計算公式為：

其中，μ為流量系數(shù)；σ為淹沒系數(shù)；B為孔口寬度，3 m；e為閘門開度；H為上游水深，由有壓短管出口的閘孔底板高程算起的上游庫水深；ε為有壓短管的垂直收縮系數(shù)。

經(jīng)過計算，農(nóng)灌限制水位84.75 m時，閘門開啟高度0.99 m，過流能力即可滿足設計流量16.38 m3/s要求，死水位84 m時，開啟高度0.06 m即可滿足過城市供水流量1.32 m3/s的要求，上游水位較高時，過流能力更大，設計孔口尺寸可以滿足過流能力要求。

3.2 洞身水面線計算

灌溉洞為無壓城門洞型，鋼筋混凝土襯砌，洞底寬3 m，洞長363 m，底坡為1/1 155，糙率n=0.014，采用水力學方法判斷為緩坡，北灌溉洞結構形式為孔口出流+緩坡，洞內最大水深為通過相應流量時的正常水深[5]。計算成果見表1。

表1 灌溉洞洞身水力要素計算表

計算結果為洞內水深分別為2.67 m。灌溉洞洞身直墻部分高2.8 m滿足要求。灌溉洞最大水深以上凈空面積為2.61 m2，洞身斷面面積為10.62 m2，凈空面積與洞身斷面面積的比值為0.24，洞身斷面滿足規(guī)范要求的摻氣水面以上空間為0.15～0.25的要求。

設計流量13.87 m3/s時(以灌溉時水庫向明港正常供水)，隧洞出口水位為83.51 m，略高于灌渠渠首要求水位83.5 m，可以滿足灌溉要求。

3.3 通氣孔孔徑計算

北灌溉洞檢修門后通氣孔面積根據(jù)SL 74—2013水利水電鋼閘門設計規(guī)范附錄B所列公式進行計算。

SL 74—2013水利水電鋼閘門設計規(guī)范附錄B所列公式為：

經(jīng)計算，通氣孔面積應達到0.05 m2，閘后設管徑為DN350的鋼管。

3.4 消能計算

進水塔后產(chǎn)生的水躍按SL 265—2001水閘設計規(guī)范附錄B所列公式計算。

(1)

(2)

(3)

(4)

Lsj=Ls+βLj

(5)

(6)

經(jīng)計算，正常蓄水位過閘流量為加大流量16.38 m3/s時，躍后水深為3.24 m，大于洞內水深2.67 m，進水塔后產(chǎn)生遠驅式水躍，水躍長度為25.13 m，躍后水深3.91 m，躍后水深時隧洞內洞頂凈空面積不滿足規(guī)范要求，在進水塔后設消力池可同時解決洞內凈空不足和產(chǎn)生遠驅式水躍問題，故在進水塔后設置消力池，消力池池深0.8 m，池長16 m，消力池段隧洞襯砌厚度采用1 m[6]。

4 結語

通過對水力設計方案的復核，此灌溉洞安全性滿足規(guī)范要求，所以此工程設計合理。水力設計在此次北灌溉洞的設計中起到了關鍵性的作用，對于確定建筑物的尺寸有著重大的意義。