南沟门水利枢纽导流泄洪洞水力设计

党 力

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 工程概况

南沟门水库枢纽工程位于陕西省延安市黄陵县境内，水库坝址位于葫芦河河口上游，工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型，按100年一遇洪水设计，5000年一遇洪水校核。主要工程任务是：向延安石油化学工业基地及当地城乡生活供水，还具有改善灌溉条件，利用供水进行发电等作用。在不影响下游综合用水情况下，解决交口河工业区、华能延安电厂、延安80万吨乙烯工程、黄陵县城的生产生活用水，发展隆太塬灌区，利用工业城镇供水及农灌用水发电。

导流泄洪洞属于永临结合建筑物，施工期为导流洞，后期改建成为泄洪洞，同时兼有排沙功能。设计等级为2级，在满足施工期导流、度汛要求的同时，也要满足运用期泄洪、排砂需要。洞身横断面为6m×8m城门洞型，全断面钢筋砼衬砌。设计洪水位下泄流量Q设=456.8m3/s，校核洪水位下泄流量Q校=467.8m3/s。

2 工程地质条件

隧洞从四级阶地基座岩体通过，洞室围岩以T3h泥（页）岩为主。隧洞进出口斜坡，基岩裸露，坡角40°左右，表面强风化带厚1m～2m，稳定性较好。

隧洞进口段，洞室围岩为强～弱风化的泥（页）岩，岩体裂隙发育、破碎，围岩类别属不稳定的Ⅳ类。

隧洞洞身段围岩为弱～微风化的泥（页）岩，岩体较破碎～比较完整洞室位于地下水位以下，开挖过程有滴水、渗水现象。泥（页）岩易风化破碎，围岩类型分别为稳定性较差的Ⅲ类、不稳定的Ⅳ类。

隧洞出口段围岩为弱风化的泥（页）岩，岩体比较破碎，Rc=13.5MPa，泥质泥（页）岩易风化破碎，围岩类别为稳定性较差的Ⅳ类。

3 导流泄洪洞布置

导流泄洪洞位于大坝右岸，主要由进口段、洞身段和出口挑流消能段三部分组成，全长836.0m。进口底板高程803.0m，出口底板高程795.05m。水库运用期最大下泄流量467.8m3/s，洞内最大流速 23.4m/s。

隧洞进口段布设放水塔，塔高65m。放水塔下部闸室为矩形断面，断面尺寸为21m×11.6m（长×宽）。上游侧设一扇平板检修闸门，孔口尺寸5.0m×4.7m（宽×高），下游侧布设一扇户型工作弧门，孔口尺寸5.0m×4.0m（宽×高）。

洞身段采用城门洞型断面，断面尺寸6.0m×8.0m（宽×高），全长 795.0m，隧洞比降1%。洞身采用钢筋砼衬砌。

出口挑流消能段布设挑流鼻坎，挑流鼻坎长17.5m，坎顶高程为799.05m，末端设齿槽，齿槽底高程为790.55m，反弧半径R=38m，鼻坎挑射角θ=27°。

4 水力设计

4.1 泄流能力计算

导流泄洪洞的泄流能力计算按照水位划分为3种工况计算

压力段由无压流至有压流的界限值为：

（1）有压流按压力短管计算

式中，μ——流量系数，取0.80；

b——孔口宽度（m）；

h——孔口高度（m）；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

H0——计入行进流速水头孔口底板以上水头（m），取H0=H。

弧门全开时的特征水位泄流特性表、水位——流量及流量系数关系曲线分别见下表1，2。

（2）半有压流计算公式

式中，μ——流量系数，取0.625；

b——孔口宽度（m）；

h——孔口高度（m）；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

H0——计入行进流速水头孔口底板以上水头（m），取H0=H。

（3）无压流按宽顶堰计算

式中，m——流量系数，取0.325；

b——孔口宽度（m）；

σs——淹没系数，取1.0；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

H0——计入行进流速水头孔口底板以上水头（m），取H0=H。

（4）计算结果

弧门全开时的水位——流量关系曲线见表1。

4.2 明流洞水面线及掺气水深计算

（1）明流洞水面线计算

起始断面水深为闸后收缩水深，求得ES1=h1+α1v12/2g,假定另一断面水深h2，求得两断面间水力坡度 J，ES2=ES1+△s×（i-J）,同时求得 ES2′=h2+α2v22/2g,若 ES2=ES2′表示试算成功，说明假定水深为实际水深，有了一系列的h和△s值，即可绘出水面曲线。

（2）掺气水深计算

lg((ha-h)/△)＝1.77+0.0081×v2/(gR)

式中：ha——掺气后的水深；

h——未掺气水流的水深；

v——未掺气水流的流速；

R——未掺气水流的水力半径；

△——表面的绝对粗糙度，△＝0.002m。

（3）计算结果

泄洪排沙洞下泄流量Q=467.8m3/s时水面线进行计算，经计算泄洪排沙洞洞内水流为C3型壅水曲线，其洞出口处实际水深最大，hmax＝5.91m，该处流速 v＝13.5m3/s。

4.3 挑流消能计算

（1）挑距计算

式中，L——隧洞下游垂直面到挑流水外缘进入下游水面后与河床面交点的水平距离，m；

v1——坎顶水面流速（m/s），按鼻坎处平均流速v的1.1倍计；

表1 导流泄洪洞弧门全开时水位流量特性表

表2 泄洪排沙洞洞内水面线

θ——挑流水舌水面出射角，近似取鼻坎挑角，θ=27°；

h1——挑流鼻坎末端法向水深，m，h1=h/cosθ；

h2——鼻坎坎顶至河床面高差，m；

Z0——鼻坎末端断面以上的水头。

（2）冲刷坑深的计算

冲刷坑深采用公式：

式中，k——为综合冲刷系数，取1.8；

q——鼻坎末端断面的单宽流量，m3/（s·m）。

Z——上下游水位差（m）。

冲刷坑后坡i的计算：

式中，T——冲刷坑深度（m）；

L——挑流射程（m）。

冲刷坑后坡i的最大允许值为1/3～1/6。

（3）计算结果

经计算在校核洪水位下泄流量Qmax＝467.8m3/s时，挑距L=91.78m。刷深度T＝24.34m，冲刷坑至挑流鼻坎的距离大于3倍冲刷深度，不会对建筑物及两岸山坡造成大的影响，不会威胁它们的稳定安全，满足要求。

5 结语

通过对导流泄洪洞水力计算和分析，可为正确推求水面线、合理确定洞断面、选取合理的消能方式提供依据。通过水力模型专题试验，进一步验证了选取的相关水力参数是经济合理的，满足工程的运行使用要求。

总之，设计人员在对导流泄洪洞进行设计过程中，首先拟定出相关参数，并最终通过相关水力计算进行复核确认，为下一步水力模型试验的提供依据。陕西水利