胡城水库泄洪洞水力计算方法简述

王红霞

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

胡城水库位于临汾市大宁县昕水镇胡城村北的牧沟渠上，距大宁县城8 km，为中部引黄大宁县调蓄水库。水库拦河大坝采用面板堆石坝，最大坝高48.0m，总库容141万m3，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》，确定工程规模为小（一）型，工程等别为Ⅳ等；主要建筑物大坝、泄洪洞、取水口及其建筑物级别为4级。水库枢纽工程包括大坝、泄洪洞及取水口。

2 泄洪洞设计

泄洪洞布置在大坝左岸，进口位于大坝趾板上游约40m，为有压圆型隧洞，洞径2.5m，全长290m，由引水洞、进水塔、压力隧洞、出口闸和扩散挑流段组成。引水洞桩号0-028—0-008，长20m，为城门洞型，宽2.5m，高3.22m（其中直墙高2.5m），C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.4m。引水洞为平洞，洞底高程775.0m。进水塔为竖井式钢筋混凝土塔筒结构，采用竖井开挖有利于进水塔整体稳定，主要由竖井式塔筒、检修平台及启闭机室等组成。塔身长8m，宽5.5m，高35m。检修平台高程810.0m，启闭机室平台高程817.2m，设平板检修门（钢闸门），孔口尺寸2.5m×2.5m。进水塔底板、塔身及梁、板、柱均采用C25钢筋混凝土。进水塔检修平台与岸坡间设交通桥，交通桥全长16m，桥面宽度3m，桥面高程810m。交通桥采用C30预应力钢筋混凝土“T”形主梁，主梁高度1.2m，顶板厚度 0.2m，翼缘板厚 0.15～0.2m；每根“T”形梁设4片横梁，梁肋宽度0.18m，高1.35m。压力隧洞桩号0+000—0+215，全长215m，纵坡2.3%。选用圆型断面，C25混凝土衬砌，衬砌厚度350 mm。在满足工程总布置要求的条件下，洞线应选在线路短、沿线地质构造简单、岩体完整稳定、上覆岩层厚度适中、水文地质条件有利及施工方便的地区。进口底高程既要满足泄洪冲砂的需要，又不被淤泥堵死。经分析比较，最终确定泄洪洞进口底板高程775.0m，出口底板高程770.0m，洞轴线两端为直线、中间为圆弧布置。出口闸长8.5m，泄洪洞出口设弧形工作闸门，孔口尺寸2.2m×2.2m，闸底板高程770.0m。闸墩长8.5m，闸墩厚1.5m，闸墩高8.5m，闸底板厚1.2m，闸墩净距2.2m。启闭机室长8.5m，宽5.2m，启闭机室平台高程778.5m。为保证闸室的抗滑稳定，对闸底板基岩进行固结灌浆，排距3m，间距3m，深6m，梅花形布置。扩散挑流段长14m，宽度由2.2m渐变至3.2m，挑流鼻坎高程768.94m，挑射角25°，反弧半径10m。扩散挑流段底板厚1.2m，边墙顶宽 0.8m，采用C30钢筋混凝土。底板基岩进行固结灌浆，排距3m，间距3m，深6m，梅花形布置。

2.1 泄洪洞水力计算

根据《水力学计算手册》隧洞有压流泄量计算公式得出泄洪洞的水位—泄量关系见表1。

挑流消能计算：计算冲坑深度时，抗冲系数采用基岩河床；挑流计算中，挑坎采用连续式，反弧段半径10m，挑角 25°，泄量 62.5m3/s，单宽流量 19.53m3/s（挑坎宽3.2m），冲坑深12.19m（从下游水位起算的冲刷坑深度14.19m），鼻坎至下游水面的挑距为38.01m，水面以下水舌长度的水平投影为23.65m，总挑流长度61.66m，冲坑后坡比降为1/5.06。冲刷坑后坡比降为冲坑深度与水流挑距的比值，在设计工况下，冲坑后坡比降均小于许可最大后坡比降1/2.5～1/5，因此，冲刷坑不会危及工程安全。

表1 泄洪洞水位—泄量关系

2.2 泄洪洞结构计算

根据水库地质资料，泄洪洞围岩物理力学参数值为：围岩类别为Ⅲ类，围岩坚固系数为3～4，弹性抗力系数为 500～1000 MN/m3，弹性模量为 28800 MPa（参考坝基砂岩层），内摩擦角46.8°（参考坝基砂岩层），围岩密度2.6 t/m3，结构面内聚力2.32 MPa（参考坝基砂岩层）。该隧洞衬砌结构计算采用“理正岩土隧洞衬砌计算软件”。

2.2.1 计算荷载及其组合

荷载：基本荷载包括围岩压力、衬砌自重、内水压力、外水压力等；特殊荷载包括校核水位时内水压力、灌浆压力等。计算采用荷载组合为自重、山岩压力及外水压力的情况。

2.2.2 荷载计算

山岩压力：根据《水工隧洞设计规范》确定山岩压力，经计算，Ⅲ类围岩垂直均布围岩压力为22.1 kN/m2；水平均布围岩压力为6.63 kN/m2。按设计厚度计算自重荷载，钢筋混凝土按25 kN/m3计。

内水压力：水库为正常蓄水位806.5m，下游闸门关闭，进口底板高程775.0m，内水压强31.5m的水头；出口底板高程770.0m，其内水压强36.5m的水头，其他部位的内水压力按进出压力直线内插而得。

外水压力：该隧洞大部处在地下水位线以下，地下水位线距洞顶的最大高度为50m。因该隧洞进口底板高程为775.0m，距正常蓄水位806.5m有31.5m的水头，应考虑库水外渗对隧洞形成的压力。

2.2.3 隧洞衬砌计算结果

考虑自重、山岩压力、外水压力三种荷载，为最不安全工况。经计算，确定混凝土等级为C25，衬砌厚度350 mm，最大裂缝宽度0.19 mm，小于允许裂缝宽度0.25 mm。

2.3 出口闸室稳定计算

2.3.1 设计依据

特征水位：正常蓄水位806.5m；设计洪水位806.5m（P=3.3%），闸门已开，闸门不受水的水平推力；校核洪水位806.88m（P=0.33%），闸门已开，闸门不受水的水平推力。

地震烈度：该地区地震动峰值加速度为0.05 g，相当于地震基本烈度Ⅵ度。

摩擦系数：闸室处基岩为砂岩，根据《水闸设计规范》，抗剪断摩擦系数0.55，抗剪断凝聚力0.15 MPa。

滑稳定安全系数：根据《水闸设计规范》，基岩上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值在基本组合、特殊组合Ⅰ、特殊组合Ⅱ三种情况下分别为3，2.5，2.3。

2.3.2 荷载

作用在闸室的荷载分为基本荷载和特殊荷载。

基本荷载：闸室及其上永久设备的自重；正常蓄水位或设计洪水位时的上游静水压力及水重（选取一种控制情况）；相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力（包括渗透压力和浮托力）。

特殊荷载：地震荷载。

荷载组合情况为正常蓄水期，荷载有自重、水重和水压力。

2.3.3 闸室稳定及应力计算

依据《水闸设计规范》岩基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的计算公式，对闸室进行抗滑稳定计算，经计算，在基本组合正常蓄水位的工况下，闸室基底应力最大值为212.45 MPa，闸室基底应力最小值为5.92 MPa，抗滑稳定安全系数5.92不小于3.00，与允许值相比，以上计算结果满足要求。

3 结论

经计算，泄洪洞规划合理。胡城水库的建设可为大宁县农业发展提供一定的水源保证，且作为中部引黄工程大宁县的配套工程，其调蓄作用可满足太德垣灌区农业用水户及周边工业用水户的用水需求。