红寺坝水库泄洪排沙洞设计浅析

2012-12-14曹亚莉王耀伟

地下水 2012年4期

曹亚莉，王耀伟

(陕西省汉中市水利水电建筑勘测设计院，陕西汉中723000)

1 概述

红寺坝水库位于汉江南岸一级支流濂水河上游，总库容3 381万 m3，有效库容2 065万 m3，死库容225万 m3，截止1998年水库淤积量已达到931万 m3，占总库容的27.54%，水库年均淤积25万m3，已严重影响到水库各项效益的正常发挥。因此，必须采取排沙减淤工程提高水库效益，经过拦砂坝、排沙洞等多方案比较及论证，最终采用增建排沙洞来排沙减淤，使水库延长寿命、各项效益能够早日恢复。

2 排沙洞工程设计

2.1 排沙洞泄流规模的确定

要最大限度地发挥排沙洞排沙效率，必须在来水有充分保证的最佳时段前尽快泄空水库，满足灵活调控实现泄空冲刷。红寺坝水库排沙洞结合5～8月担负灌溉任务的实际情况，除考虑少量的泄洪外，排沙的有利时段主要集中在9～10月，通过对该时段日均流量分级统计，以1981年丰水年为例，出现大于 60 m3/s、40 m3/s、15 m3/s、10 m3/s的天数分别4 d、9 d、25 d、33 d。委托西北水科所完成了分级流量下冲刷实验，各级流量的冲刷结果见表1。

表1 分级流量冲刷结果汇总表

结合来水量、冲刷效果，采用《红寺坝水库排沙洞规模的论证》报告推荐结论，洞径4 m，泄洪规模40 m3/s，泄空排沙流量10～40 m3/s。

2.2 底板高程及进水口形式的确定

根据排沙洞的作用和排沙特点，排沙效果大小取决于隧洞进口底板高程、泄量和流速。结合地形及水工模型实验，泄空冲刷决定了底板进口高程，历时较短的泄空冲刷以溯源冲刷为主，输沙率按照清华大学推荐公式计算:

式中:Qsc为输沙率，Qc为来水流量，J为比降，B为冲刷宽度，K为抗冲系数，其中B、K由西北水科所推荐B=100 m，K=180。由公式可见输沙率与比降J的1.2次方成正比，即冲刷比降愈大，时段冲沙率愈大，排出的泥砂愈多。而比降与排沙洞进口高程密切相关，根据现有淤积情况，选择了不同进口高程，采用1980年9月发生的一洪水过程进行冲刷实验，不同进口高程排沙效果见表2。

表2 不同进口高程的排沙效果表

从表2可见:当进口底板高程为632.00 m时排沙效果最好，同时泄洪流量也较大，而洞长变化不大，故采用洞底板进口高程632.00 m。

排沙洞进水口采用喇叭口，顶板和边墙顺水流方向三面收缩的平底矩形断面，顶板和边墙采用椭圆曲线，对于顶板其曲线方程为X2/4.52+Y2/1.52=1，对于边墙曲线方程为X2/4.52+Y2/1.1252=1。设计方案没有设防涡设施，在水工模型实验过程中，发现由于受到上游来水不均匀的影响，随着流量的增加进口漩涡直径及强度亦逐渐加大，并且产生间隙性吸气漏斗旋涡，它不仅影响进水能力，而且会引起进口段局部产生负压及闸门的震动和闸门槽的气蚀破坏，因此结合水工模型需要在进水口设置消涡隔栅，在红寺坝排沙洞设计时，设置了槽面面向水流的三根角钢，间距20 cm，运行后，进水口前无贯通性吸气漏斗旋涡产生，效果良好。

2.3 排沙洞结构设计

排沙洞要在排沙效果较佳的情况下同时达到泄量较大，故洞内采用明流形式泄流，以便在库区内形成一定的槽库容。进口段采用平坡方形进口形式，为有压流，为了使泄空冲刷保持较大比降，一般不允许洞内雍水，因此有压洞后接1:20陡坡。隧洞采用城门洞型式，断面尺寸为宽×高=4.0×4.6 m，直墙高为 2.6 m，拱顶高 2.0 m，拱顶半径 2.0 m。

排沙洞进口有压洞采用C25钢筋混凝土衬砌，厚度0.8 m。无压洞采用C25钢筋混凝土衬砌，厚度0.5 m。经水力计算，各断面处计算流速均小于不冲流速20 m/s，满足了抗冲要求，但考虑到泥砂磨蚀作用，洞内壁水深变化范围内增加环氧砂浆抹面，增强抗磨性能。根据地堪资料，洞身段处于强风化区，洞身开挖衬砌完成后采用回填灌浆处理，灌浆范围在拱顶中心角90°～120°以内，灌浆孔呈梅花型布置，孔距及排距取3.0 m，灌浆孔深入围岩10 cm。对于防渗及排水设施，设计中考虑了排水孔，排水孔孔、排距3.0 m，入岩3.0 m。

2.4 排沙洞出口消能防冲设计

由于排沙洞出口地形条件有限，距离河道近，因此采用了扩散式消力池。起始宽度为4.0 m，扩散角8°，扩散率为1:0.140 5，渐变段长 7.2 m，坡比 1:4，扩散段末端宽度为6.0 m。根据排沙洞的运行情况，在高水位(650.5 m)运行时，需用闸门控制使下泄流量保持40 m3/s，此时出口流速最大 Vmax=12.12 m/s，陡槽末端水深 hmin=0.825 m，出口消能为最不利情况。经过水力计算跃后水深为4.305 m，水跃长度17.7 m，结合地形件，设计渐变段、池长共25.5 m。在模型实验验证过程中发现池长稍小，消能不彻底，提出将原设计消力池末端与下游河道连接的直坎变成1:2.0的反坡的宝贵意见，在设计时直接采用，达到了预期效果。