淌泉子水库泄洪洞工程设计

【摘要】 淌泉子水库大坝为均质土坝，运行至今已有50多年，原施工质量较差，后期管理不善，泄洪洞老化严重，泄洪存在较大的安全隐患。通过实地考察和理论计算，泄洪洞不能安全泄洪，本次设计将泄洪洞洞径确定为1.8×1.8米、竖井前为有压洞，竖井后采用无压洞，同时完善消能设施，清除了泄洪洞的安全隐患。

【关键词】泄洪洞洞径选择消能计算安全泄洪

【 abstract 】 drip spring son for homogeneous earth dam, dam of a reservoir operation has been more than 50 years, the construction quality is poorer, the late mismanagement, aging is serious, the tunnel, the water there is a big security hidden danger. Through on-the-spot investigation and theoretical calculation, the tunnel cannot safely discharge, the design flood discharge tunnel will determine the hole diameter is 1.8 * 1.8 m, well before there was pressure hole, shaft adopted after pressureless, energy dissipation facilities at the same time, the discharge of the tunnel cleared security hidden danger.

【 key words 】 the tunnel hole diameter selection energy dissipation calculation flood safety

中图分类号: F407.9文献标识码A 文章编号

1 概述

淌泉子水库位于长春市双阳区山河街道办事处，坝址距双阳城区40km，水库上游为半山区地形，地理位置为东经125°55′，北纬43°21′，集雨面积8.7km2。水库总库容132.98万m3，正常蓄水库容91.62万m3，死库容2.49万m3。设计灌溉面积2580亩，淌泉子水库保护下游1个乡镇19个村屯6500口人、197公顷耕地及双阳-烟筒山公路安全。是一座以防洪、灌溉为主，兼有养殖等综合利用效益的小(1)型水利工程。水库枢纽工程由大坝、泄洪洞、输水洞组成。

2 泄洪洞工程地质条件评价

泄洪洞位于大坝右端（0+252），洞轴线与坝轴线正交，其建筑物地基主要由粉质粘土、安山岩组成，地基承载力特征值fak=150kPa，其强度可满足建筑物设计要求。根据工程地质剖面图按其岩性特征由上而下分述如下：

粉质粘土：黄褐色、灰黄色，可塑状态，下部硬塑状态，渗透系数K=5.9×10-5，属微弱透水层。钻进厚度3.6～5.6m。

泄洪洞进口段和竖井段内外表面砼剥蚀严重，闸室段裂缝漏水，洞身第二段轻微裂缝砼剥蚀，陡坡段和消力池段砼剥蚀露筋，闸门启闭机已不能正常开启。按病险类型划分属于涵、洞渗漏问题和输水涵管损坏问题，建议采取工程处理措施。如拆除重建，基础坐落在粉质粘土层上可满足要求。

3泄洪洞断面尺寸确定

3.1 竖井前有压洞断面尺寸

原泄洪洞轴线桩号0+252，本次设计轴线位置不变，泄洪洞轴线与坝轴线正交，竖井段前采用有压洞，洞进出口底高程均为248.80m，洞长5.5m，根据过流能力验算及调洪验算成果，确定泄洪洞断面尺寸1.8×1.8m。

3.2 竖井后无压洞断面尺寸

竖井后采用无压洞，洞进口底高程为248.8m，纵坡坡比1:100，洞出口底高程为248.65m，无压洞长13.5m。

无压洞其断面尺寸的拟定遵循以下原则：

一、为便于与竖井闸室衔接，无压洞仍采用矩形涵洞，且其底宽不变；

二、确保下泄上游来水量，即有压洞所泄流量；

三、确保该洞为无压洞，防止泄流时产生震动及空蚀现象，《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）建议，净空断面面积要求大于等于隧洞断面面积的15%，同时，净空高度大于等于0.4m。

（1）临界水深及临界坡比计算

临界水深及临界坡比计算公式：

hk=

ik=

式中：hk-临界水深（m）；

α-动能修正系数，取1；

单宽流量（m3/s）；

流量，m3/s）；

临界水深时过水断面面积（m2）；

临界水深时谢才系数（m）；

临界水深时水力半径（m）；

临界水深及临界坡比计算详见下表。

临界水深及临界坡比计算表

从上述计算可知，泄洪洞底坡按i=0.01确定，大于临界坡度，为陡坡，洞内将不能形成水跃。

（2）无压洞水深h0计算

设计泄洪洞i=0.01，大于临界坡度，为陡坡。复核下泄量，计算校核洪水流量时洞内水深h0。无压洞内水流按明渠均匀流计算。

当无压段泄流量为18.54m3/s时，无压洞内水深为2.0m。

本次设计取无压段涵洞高度为2.4m，宽度1.8m，纵向比降0.01。满足要求。

淌泉子水库无压洞水力计算成果表

表中洞身混凝土糙率n=0.014，纵向比降i=0.01

从上表计算可知：当泄洪洞通过最大泄量18.54m3/s时，洞内水深2.0m，根据规范要求，取安全净空高度0.4m，因此竖井后无压洞尺寸采用1.8×2.4m。

4泄洪洞消能防冲设计

本次设计消能方式采用底流消能。计算公式如下：

－＋=0

=

Fr=

Z =

S=－－Z

式中：—跃前断面水深（m）；

—跃后断面水深（m）；

—跃前断面水流的平均流速；

—以消力池底板为基准的上游总水头（m）；

—过闸单宽流量（m3/s）；

—流速系数，取0.8；

Z—出池落差（m）；

—出池下游渠道水深（m）；

—水跃淹没系数，查《水力计算手册》取1.05；

—消能池出流的流速系数，=0.90；

—池深。

（1）消力池池深计算

分三种情况进行计算，采用试算法，各种情况下的消力池池深计算见下表。

消力池池深计算成果表

（2）消力池长度计算

Lsj=Ls+Lj

式中：Ls—消力池斜坡段投影长度，本工程消力池斜坡投影长度为12.0m。

—水跃长度校正系数，取0.75；

Lj—水跃长度，取6.9（hc″－hc′）

消力池池长计算成果表

（3）消力池底板厚度计算

t=

式中，—消力池底板计算系数，可采用0.175～0.20；

—泄水时上下游水位差，

—消能池出口单宽流量，m3/s.m

消力池底板厚度计算成果见表5.4.6。

消力池底板厚度计算成果表表5.4.6

(4)海漫长度Lp计算

Lp=Ksq0.5H0.25（《水闸设计规范》附2.11式）

公式中：Ks—计算系数，壤土取10

q—消力池末端单宽流量m3/sm

H—泄水时上下游水头差m

海漫长度计算成果表

(5)海漫末端冲坑深度计算

d=1.1×

公式中：V0—河床土质不冲流速，取1.0m/s。

q1—海漫末端单宽流量为m3/sm。

hs—海漫末端河床水深m

海漫段末端冲刷深度计算成果表

经过以上计算：消力池长度取24.0m，消力池深取1.2m，海漫段总长度取30.0m，海漫段末端冲坑护砌厚度取2.0m。

5 泄洪洞结构总体布置

（1）进口导流段

进口导流段长5.5m，宽度由 3.8m变为1.8m，耳墙长2m，采用“U”型槽结构。

（2）有压洞身段

有压洞身段总长5.5m。断面尺寸为：底板厚40cm。顶板厚30cm，侧墙顶宽度30cm，侧墙底宽度50cm，洞底板下设10cm厚素砼垫层。

（3）竖井段

竖井段长5.5m。竖井段布置工作闸门及检修闸门，均采用PGZ1.8×1.8m拱型铸铁闸门，闸门间距1.5m。选用2台LQC-100型手电两用启闭机。竖井底板下设10cm厚素砼垫层。底板厚0.6m，竖井井壁厚0.3m，竖井平台顶设启闭机室3.08×3.08m2。

（4）无压洞身段

无压洞身段总长为13.5m。断面尺寸为：底板厚40cm。顶板厚30cm，侧墙顶宽度30cm，侧墙底宽50cm，洞底板下设10cm厚素砼垫层。

（5）陡坡段

陡坡宽1.8～5m，坡比为1:4，陡坡段长12m。为钢筋混凝土U型槽结构。

（7）消力池段

经水力计算确定消力池池深为1.2m，池长14m，消力池底宽5.0米。

消力池段采用“U”型槽结构，陡坡段边墙两侧回填砂砾料，填筑高度低于墙顶30cm。

（8）海漫段

海漫长30m，底宽为5m，横断面为梯形，设计边坡为1：1.5。海漫采用干砌石护砌，块石厚25cm，下设碎石垫层厚20cm（d=5-10cm），并铺一层无纺布、无纺布规格为400g/m2。

本工程涉及到的混凝土强度标号：垫层混凝土采用C10，结构混凝土采用C25F200。

6 结论

淌泉子水库泄洪洞为主要建筑物，原有泄洪洞严重损毁，水库存在安全隐患，本次设计完全按照现行规范要求，采取切实可行的设计方案,使泄洪洞泄流能力、消能设施、结构总体布置等均达到了Ⅳ等工程4级建筑物的标准，消除了安全隐患，使大坝能安全、可靠运行。

参考文献：

（1）中国水利水电出版社《水力计算手册》武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室李炜主编

（2）《水工钢筋混凝土结构设计规范》（试行）（SDJ20-78）