长江水库泄洪洞水力复核计算

符朝仁

（中山市水库水电工程管理中心,广东 中山 528400）

1 工程概况

长江水库是中山市唯一的一座中型水库,位于中山市宫花河上游,是一座以防洪、供水为主,兼顾灌溉、生态等综合效益的多年调节中型水库。水库集雨面积36.4 km2,总库容5040 万m3。

1.1 工程现状

长江水库泄洪洞位于大坝右侧,溢洪道的左侧,紧靠溢洪道。其结构形式为钢筋砼方形涵洞,断面尺寸2 m×2 m。泄洪洞埋在大坝下的长度为65 m,泄洪洞进口高程为20.22 m,设计最大流量为37.9 m3/s,出口高程为19.28 m。

在2010 年长江水库泄洪洞进行了改造,在原砼方涵基础上,内衬圆钢管,内直径2 m,壁厚10 mm,钢管与原方涵混凝土面之间采用水泥砂浆充填,泄洪洞整体结构基本良好,暂未发现明显结构性缺陷；但钢管内防锈漆严重老化,存在脱落生锈的情况。进口高程20.22 m,出口高程19.45 m,总长约57.07 m,出口为二级消力池。消力池溢流堰及侧墙结构较为完好,无贯穿性裂缝及沉降不均匀现象。消力池两岸顶部护栏结构及巡查步级结构完好,无开裂及沉降不均匀情况,管养情况较好。

1.2 工程等级及建筑物级别

本工程为中型水库,工程等级Ⅲ等,泄洪洞为主要建筑物,建筑物级别为3 级。

2 泄洪洞水力计算

2.1 泄洪洞过流能力复核

2.1.1 基本资料

泄洪洞断面尺寸：φ2 m 圆形,进水口涵底高程：20.22 m,出水口涵底高程19.45 m,洞身长度l=57.07 m,闸门形式：平面钢板闸门,出口流态：自由出流,正常水位：H正常=25.98 m,设计水位：H设计=28.04 m,校核水位：H校核=29.67 m。

2.1.2 计算公式

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288-2018）附录M,涵洞过流能力计算公式应根据涵洞水流流态决定。涵洞水流流态根据进口水深、出口水深和洞高的关系判别。已知涵洞出水口水深为非淹没出流,当进口水深H ≤1.2 D（D为洞高）时,为无压流；当进口水深1.2 D ＜H ≤1.5 D 时,为半压力流；当进口水深H ＞1.5 D 时,为非淹没压力流。

①无压流涵洞过流能力可按下式计算：

式中：Q 为涵洞过流量,m3/s；B 为洞宽,m；m 为流量系数,可近似采用m=0.36；ε为侧收缩系数,可近似取ε=0.95；H0为包括行近流速水头在内的进口水深,m；g 为重力加速度,g=9.81,m3/s；σ 为淹没系数；hs为洞进口内水深,m,对短洞可按公式计算求得,对长洞需以出口水深为控制水深,从出口断面向上游推算水面线以确定洞进口内水深；v 为上游行近流速,m/s；为动能修正系数,可采用=1.05。

②半压力流涵洞过流能力可按下式计算：

式中：m1为流量系数,由表M.0.3-2 查取；A 为洞身断面面积,m2；β1为动能修正系数,由表M.0.3-2 查取；i 为洞底坡降。

表1 流量系数m1 及修正系数β1 值表

③非淹没压力流涵洞过流能力可按下式计算：

表2 渐变段水头损失系数

已知涵管直径为2.0 m,进口底高程为20.22 m,出口底高程为19.45 m,坡降为0.0135。由于半有压流态存在时间较短,且流态较为不稳定,因此泄流能力计算仅考虑无压流、有压流两种流态,泄洪洞泄流量与进口水位关系曲线见下表。经复核计算,由于2010 年泄洪洞加固后过流断面变小,坡度变缓,泄洪洞泄流量相对于原断面是砼方涵时有所减少是符合实际的。

表3 泄洪洞泄流量与水位关系曲线表

续表3

图1 水位-泄流关系曲线

2.2 泄洪洞下游消能复核

泄洪洞下游共设二级消能工,参照溢洪道设计规范要求,消能防冲应采用30 年一遇的洪水标准,并用100 年一遇洪水进行校核。消能防冲须对泄洪洞下游消力池的池深及池长进行复核,故采用100 年一遇洪水位进行计算复核,经查此时的泄洪洞流量为29.72 m3/s。

（1）计算基本资料。泄洪洞出口高程：19.45 m；一级消力池底高程：14.28 m；溢流堰顶高程：17.06 m；泄洪洞出口流量：Q=29.72 m3/s；一级消力池长：L=18.84 m；池宽：B=4.11 m。

（2）一级消力池池深复核计算。水流由泄洪洞出口流出,在消力池内先形成水跌,再形成水跃至溢流堰顶。计算水跌,取泄洪洞出口断面1 及水跌最低点断面2,以池底面为0-0 断面建立能量方程,如下式：

式中：h1=19.45+2-14.28=7.17 m ；a 为动能修正系数,此处取a=1.1；υ1=Q/A1=29.72/3.14=9.46 m/s；υ2=Q/A2=29.72/（4.11×h2）。

其中,σ 为水跃淹没度,可取=1.05～1.10,此处取1.10；ht为下游水深,此处取堰上临界水深,即1.80 m；ΔZ 为消能池出口水面落差。由下式计算：

其中,b 为消能池宽度；φ'为消能池出流的流速系数,一般取0.95。

（3）一级消力池池长复核计算。先计算自由水跃长度,由《水力计算手册（第二版）》可知当1.7

（4）一级消力池长池深复核结论。经复核,一级消力池现状池深2.78 m 大于计算所得的2.08 m,池长18.84 m 在计算所得的18.5 m～21.2 m 范围内,消力池尺寸满足要求。

2.3 溢流堰陡槽及二级消力池消能复核

（1）计算基本资料。溢流堰顶高程：17.06 m 陡坡首端高程：12.34 m；陡坡末端高程：9.42 m；陡槽宽度：4.11 m；陡坡坡降：0.098；陡坡长度：29.76 m；糙率n=0.014；二级消力池底高程：7.50 m；池长：20.27 m；二级消力池出口护坦高程：9.31 m。

（2）陡坡首端断面水深、流速确定。仍然建立能量方程,以陡坡首端断面高程即12.34 m 处水平面1-1 为基准面,选取溢流堰顶17.06 m 处断面为断面3,陡坡首端断面为断面4。

方程如下：

其中,h3=17.06-12.34+1.78 m=6.5 m；υ3=Q/A3=29.72/（4.11×1.78）m/s=3.99 m/s

υ4=Q/A4=29.72/（4.11×h4）。经计算得：陡坡首端断面水深h4=0.648 m,此时流速υ4=11.17 m/s。

（3）陡坡末端断面水深、流速确定。陡坡水面线可参考《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）附录A.3.1 中“泄槽水力计算”公式进行计算溢洪道水面线：

式中：Δl1-2为分段长度,m；h1、h2为分段始、末断面水深,m；υ1、υ2为分段始、末断面平均流速,m/s；a1、a2为流速分布不均匀系数,取1.05；为泄槽底坡角度,（°）；i=sin；当较小时,i≈tan；为分段内平均摩阻坡降；n 为泄槽槽身糙率系数,查附录表A.8,取为0.014；为分段平均流速,m/s；为分段平均水力半径,m。

经计算,陡坡末端断面水深h5=0.61 m,此时流速υ5=11.90 m/s。

（4）二级消力池池深复核。以二级消力池底水平面为基准面3-3,水流先发生水跌再发生水跃,取陡坡末端断面h5及水跌最低点断面h6（收缩断面）建立能量方程,则有：

上式中h5=9.42-7.5+0.61=2.53 m,υ5=11.90 m/s,可解得：h6=0.539 m,此时υ6=13.42 m/s。故二级消力池内收缩断面水深hc=h6=0.539 m。

消能池深S：由式σhc''=ht+S+ΔZ求出。

其中：σ 为水跃淹没度,可取=1.05～1.10,此处取1.05；ht为下游水深,取下游渠道临界水深,10.42-9.31=1.11m；ΔZ为消能池出口水面落差。

由下式计算：

其中：b 为消能池宽度；φ'为消能池出流的流速系数,一般取=0.95。

计算得,ΔZ=2.138 m；则消力池深d=σhc''-ht-ΔZ=1.05×4.186-1.11-2.138=1.15 m；而现状二级消力池深度S现状=9.31-7.5=1.81 m>1.15 m,故现状消力池深度满足要求。

（5）二级消力池池长复核计算。先计算自由水跃长度,由《水力计算手册（第二版）》可知当1.7

3 结语

泄洪洞钢管完整无破损,无变形,有锈蚀现象,但现场检查发现钢管内防锈漆老化严重,存在脱落生锈的情况,需对泄洪洞钢管内表面除锈防腐。消能工边墙、底板结构完好,无沉降及侧倾现象。根据计算分析,泄洪洞钢管壁厚满足要求,强度满足要求,刚度满足要求。泄洪洞消能工尺寸满足要求。