杨华娟

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000）

1 概况

富川水源工程位于甘肃省天水市张家川回族自治县恭门镇境内的牛头河一级支流樊河上游，是为解决农村安全人饮供水而兴建的水源工程，水库总库容498.00万m3，属Ⅳ等小（1）型工程。工程主要由砼面板堆石坝及溢洪道、泄洪洞等主要建筑物组成，最大坝高71.0 m。本枢纽工程防洪标准设计洪水频率为30年一遇，洪峰流量为76.8 m3/s，设计洪水位1944.7 m；校核洪水频率为300年一遇，洪峰流量为199 m3/s，校核洪水位1945.8 m；消能防冲建筑物洪水标准按20年一遇洪水设计,洪峰流量为63.4 m3/s。泄洪洞为本工程的主要泄洪建筑物。

2 泄洪洞水力设计

2.1 泄洪方式

本工程泄洪系统布置采用表孔和深孔联合泄洪的方式,表孔泄洪方式主要布置了左岸开敞式溢洪道,深孔泄洪主要布置于右岸导流泄洪冲沙洞。左岸溢洪道堰顶高于设计洪水位，设计洪水位下不参与泄洪,校核洪水位下溢流堰参与泄洪流量25.8 m3/s，堰顶单宽流量2.15 m3/s，因其泄流量小，溢洪道的功能主要作非常溢洪道使用。泄洪洞运行在校核洪水下为全开状态，其它均为局部开启。在此重点论述泄洪洞的水力设计。

2.2 泄洪洞水力设计

泄洪冲沙洞置于右岸山体中，由进口段、闸室段、洞身段、出口工作闸室段及挑流消能段等组成。泄洪洞为有压洞，进口段及闸室段为2.9 m×2.9 m的矩形断面，洞身段为洞径2.9 m的圆形断面，长度217.2 m，底坡1/29，出口闸室段为2.7 m×2.7 m的矩形断面，洞出口设挑流鼻坎段，长6.5 m，反弧半径25 m，挑射角14°。整体布置进口高程1904.5 m，出口高程1882.7 m，进出口落差21.8 m。

泄洪洞洞前流态判别及计算参照《水力计算手册》[1]中关于隧洞水力计算相关公式，首先根据隧洞洞前水深进行流态判别，对于陡坡隧洞，可根据以下公式进行判别：

H/a＜1.2 无压流

1.5 ＞H/a＞1.2 半有压流

H/a＞1.5 有压流

式中：H为以隧洞进口底板高程起算的洞前水深，m；a为洞高，m。

本工程洞高2.9 m，即当洞前水深H＜3.48 m时隧洞为无压流，无压流按照堰流公式计算；洞前水深3.48 m＜H＜4.35 m时为半有压流，当洞前水深H＞4.35 m时隧洞为有压流，半有压流和有压流均可采用以下公式计算其泄流能力：

式中：μ为流量系，经计算为0.548；ω为隧洞出口断面面积，7.29 m2；T0为上游水面与隧洞出口底板高程的差，m；hp为隧洞出口断面水流的平均单位势能，m。

根据以上公式计算,泄洪隧洞出口闸孔全开时，校核洪水位1945.8m时，洞进口最大水头63.1m，最大泄流量为132.65m3/s，其水力计算流量系数为0.529 m3/s，洞出口断面压坡线水头为38.7 m。

2.3 泄洪洞出口消能设计

泄洪洞出口流速20 m/s,挑流鼻坎单宽流量48 m3/s，设计选用了挑流消能。在设计时，先设置了扩散段使水流先行扩散，以减少单宽流量，为了避免扩散时引起空蚀，对扩散角经过计算认为当不大于6.8°时，可满足要求。设计选用3.434°，扩散段长6.5 m，始末宽度为2.70 m和3.48 m。在校核洪水位工况下，采用《溢洪道设计规范规范》[2]中附录A.4公式进行计算结果，挑流鼻坎反弧半径25 m，挑角14°，最大挑距41.15 m，最大冲刷坑深度13.93 m。

3 水工模型试验

由于本工程泄洪洞泄洪能力对水库的特征水位有重要影响，进而会影响水工建筑物的规模确定，同时泄洪洞下游地形条件复杂，设计对经验公式计算的挑流参数难以准确计算，因此需要根据模型试验进一步确定计算参数。水工模型试验委托西北农林科技大学进行，模型按照重力相似准则设计、制作，根据试验要求模型长度比尺Lr=40，流量比尺Qr=Lr5/2=10119.3，流速比尺Vr=Lr1/2=6.325，时间比尺Tr=Lr1/2=6.325，糙率比尺nr=Lr1/6=1.849。通过试验确定以下事项：①研究泄洪洞在各种工况和开度下的过流能力，率定流量系数；②研究泄洪洞在各种泄流工况下的挑距、冲坑形态，下游河床流速分布及冲刷情况，以确定合理的出口消能形式。

3.1 原设计方案试验结论及存在问题

（1）泄洪洞泄流

试验首先根据原设计方案制作水工模型进行试验，校核洪水位1945.80 m弧门全开时，下泄流量试验率定结果为150 m3/s,率定流量系数为0.597,较理论计算结果大。设计及其以下洪水，泄洪洞为局开情况，隧洞洞身为全压力状态，压力为大的正压；校核洪水位时闸门全开，泄洪洞闸室段出口顶部局部出现小负压。

（2）下游消能防冲问题

试验对原方案校核洪水情况下游消能情况进行了测试，泄洪洞原设计挑流鼻坎体型向两侧对称扩散，而出口下游两岸开挖情况完全不同。右岸布置有上坝公路和取水管道，其开挖受到限制。同时由于泄洪水头较高，出口水舌平均流速约为20 m/s，右侧水舌冲砸于右岸开挖岸坡上，未能反映下游冲刷的实际情况，对下游右岸岸坡稳定非常不利。挑流坎试验和体型见图1。

图1 原设计水流挑流水舌形态及鼻坎设计图

3.2 模型试验对设计成果的优化

（1）泄洪洞泄流及负压问题

原设计主要是考虑出口断面面积对泄流能力影响较大，因此采用了（2.7 m×2.7 m）矩形闸室出口断面面积。其顶板和底板及左右墙较隧洞洞径有所减小，但出口在实验过程中出现了负压，分析认为泄洪洞洞身D=2.9 m，面积6.6 m2；圆变方后闸室过水断面（2.7 m×2.7 m）面积为7.29 m2，虽相比洞径有所减小，但出口闸室段断面面积增大了10%，导致隧洞出口出现了负压。为提高压坡段压强，使各运行工况洞出口顶部分均保持正压，合理的形式应不仅保证隧洞出口处断面尺寸为渐缩式，同时应保证出口段包括闸室在内的断面面积也应为渐缩式。因此实验建议对泄洪洞出口工作闸室段体型进行修改：压坡段水平长度及孔口宽度不变，孔口高度压缩为2.4 m，即孔口尺寸调整为2.7 m×2.4 m。

试验对泄洪洞的泄流能力重新进行了率定，在校核洪水位1945.80 m，泄洪洞弧门全开时，下泄流量试验率定结果为139 m3/s，对应流量系数为0.622。优化修改缩小了闸室出口断面面积，但由于实验较计算流量系数大，因此仍能满足原设计对下泄能力的要求，因此修改是合理的。

表1 修改后泄洪能力试验率定结果与原设计方案比较

（2）对泄洪洞出口挑流坎型式的修改

原设计泄洪洞出口水舌冲砸于岸坡坡脚，未能反应水舌真实形态，泄洪洞出口水舌集中，主流入水后俯冲下潜后水流顶冲回淘对岸，左侧形成大的回流圈，对河床进行淘刷。优化修改根据下游地形因势利导，利用边导墙对水流方向进行调整，主要对鼻坎左右边墙及底板进行体型调整，通过不断实验修改，最终挑坎体型为，平底板型式，起始断面为矩形，左右边墙均为圆弧，右侧角加圆弧扭面，出口断面加贴角，斜度1∶0.85，右侧墙高4 m，左侧墙高2.5 m。

体型修改后，校核洪水1945.80 m时泄洪洞出口水舌横向扩散充分，相对均匀，主流最大挑距为50.9 m，正常蓄水位1944.7 m时遇设计3.33%、5%及10%洪水情况泄洪洞出口水舌形态最大挑距分别为76.5 m、78.1 m和81.4 m。随着泄量的减少，挑距越来越远。试验发现，优化体型设计洪水及其以上频率洪水扩散消能效果好，10%及其以下洪水小开度运行时水舌形态较好，缺点是落水点距对岸坡脚近。对此，仅需在工程建成后根据实际冲刷情况对岸坡及坡脚进行防护处理。优化后体型和试验见图2。

图2 优化后水流挑流水舌形态及鼻坎设计图

4 结语

本次泄洪洞设计为了保证泄洪洞的泄流能力，对出口闸室段断面面积未进行缩减，引起洞出口处出现负压，通过模型实验发现隧洞泄洪能力较理论计算具有一定的超泄能力，据此对洞出口控制闸室断面面积进行了缩减，在满足隧洞泄流能力要求的前提下，解决了洞出口负压问题，因此在设计时洞出口采用渐缩断面，则在闸室控制段仍应满足断面面积渐缩的要求。

泄洪洞出口挑流鼻坎，下游地形对挑流消能形成条件具有重大影响，进行挑流鼻坎设计时其体型应因势利导，不拘泥于传统型式，可充分利用边墙对水流的束缚和导向作用，使水舌避开不利条件，减少对下游岸坡的冲刷破坏，达到工程经济可靠的目的。