李 卿

（遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司,贵州 遵义 563000）

1 工程概述

魁龙水库工程位于贵州省余庆县小腮镇魁龙村境内,地处余庆河左岸一级支流魁龙河下游,其工程任务为余庆县城城市供水和白泥工业园区供水,年供水量为1170 万m3/a。水库正常蓄水位630.00 m,总库容1152 万m3,属Ⅲ等中型水库。枢纽工程由砼面板堆石坝、泄洪系统、引水系统等组成,大坝高为58.50 m,坝顶高程633.50 m。大坝、泄水建筑物设计洪水标准为50 年一遇,校核洪水标准为1000 年一遇,消能防冲洪水标准为30 年一遇,最大下泄流量为135 m3/s（P=0.1%）。

坝址所处河道蛇曲呈不规则的“几”字型,坝址为不对称的宽“V”形横向河谷,左右岸基岩多裸露,河床多被第四系残坡积、冲洪积物覆盖,层厚约4m,岩层产状N40°～45°W/NE ∠8°～10°,倾下游微偏左岸,坝基岩性全为砾岩,岩层稳定,构造裂隙发育频率较低,但切割较深远,岩体风化带较厚,两岸卸荷带宽度不大,岸坡稳定性好。

2 泄洪方案选择

由于水库库区正常蓄水位以上5 m 范围内基本无房屋、专项设施和较大规模的耕地等控制性实物分布,加之水库下游也无重要防护对象,结合地形地质条件和枢纽布置,为节省工程投资、便于工程管理,经过多组方案比较分析后确定水库的泄洪方案为右岸泄洪洞（自由泄流）方案。经调洪演算,溢流净宽确定为18 m。结合水库规模、地形地质条件和水文基本资料,为了尽量减少坝体填筑量,并重点考虑趾板线尽可能布置在坝基岩性均匀、避开不利结构面,布置上尽量顺直等以减少开挖及处理工作量等,对水库泄洪建筑物选择右岸“泄洪（无压）洞”和“竖井旋流泄洪洞”两种方案进行同精度综合比较。

2.1 泄洪（无压）洞方案

该方案将泄洪洞进口布置上游一号冲沟内、出口布置在三号冲沟出口处,隧洞轴线距大坝右坝肩155 m,进口采用侧槽开敞式溢流堰、中间采用无压隧洞泄洪、出口采用陡槽+底流消能方式,进口侧槽轴线方位为NE82.00°,隧洞、陡槽及消力池段中心线方位为SE87.00°。泄洪建筑物包括进口引水渠段、溢流堰、侧槽段、调整段、隧洞段和出口陡槽段及消力池段,总长277.30 m。该方案中导流隧洞轴线呈直线型,轴线长181 m,隧洞底坡2.5/100,进口底板高程取584.00 m、出口底板高程取580.00 m,隧洞断面按导流时为无压隧洞,度汛时为有压隧洞的工况设计；隧洞洞身长163 m,净高3.72 m、底宽2.5 m,侧墙高3.0 m、顶拱半径1.443 m,洞身采用0.4 m 厚钢筋混凝土全断面衬砌。具体布置见图1。

图1 泄洪（无压）洞方案枢纽布置

2.2 竖井旋流泄洪洞方案

因河道呈不规则“几”字型,该方案主要考虑泄洪控制进口的进水方向、引水道的长度、竖井与引水道的结合及竖井周边岩体厚度、导流洞改建为泄洪洞与竖井的连接、泄洪洞出口消能及水力条件等因素。因竖井旋流泄洪洞的施工与引水隧洞、面板堆石坝、导流洞等建筑物的施工密切相关,在满足总体施工布置的基础上该方案应力求与相关建筑物施工干扰小、临时工程量小、后期运行管理方便、可靠等。经布置,竖井旋流泄洪洞方案主要由开敞式自由溢流进口、明渠引水道、涡室、竖井、退水洞、消力池等组成,总长214.60 m,最大水头49.44 m。该方案中导流隧洞轴线亦呈直线型,轴线（含进出口引渠）长180 m,其中洞身长166 m,轴线方向S79.11°E；隧洞进口底板高程为584.00 m,出口底板为580.18 m,出口后接泄洪消力池；隧洞断面按泄洪时为无压隧洞工况设计,并按全断面钢筋混凝土衬砌设计,隧洞的断面型式采用顶拱夹角为120°角的城门洞型。隧洞底宽4.5 m、净高5.80 m。具体布置见图2。

图2 竖井旋流泄洪洞方案枢纽布置

上述两个方案挡水及引水建筑物相同,溢流控制段堰型及宽度也相同,针对泄洪建筑物及导流洞等临时工程方面进行投资比较。具体见表1。

表1 泄洪方案特性比较表

由于坝址及右岸地质条件单一,两个方案不存在较大的工程地质条件差别,方案均可行；从施工布置看,两个方案挡水、引水建筑物和施工导流布置方案基本相同,泄洪（无压）洞方案各建筑物相对独立,施工干扰小,但溢洪道进口远离大坝,施工条件相对较差,而竖井旋流泄洪洞方案可充分利用导流洞（洞身断面较前方案大）、布置较紧凑,但存在一定程度的施工干扰、其竖井开挖需与导流洞同期实施完成；由表1 可知,竖井旋流泄洪洞方案比泄洪（无压）洞方案投资少145.5 万元。故推荐方案2。

竖井旋流泄洪洞具有消能效果好、结构布置灵活、抗空化能力强、工程造价低等优点,适合高山峡谷地带、高坝泄洪等工程。其主要原理是利用旋转水流的离心力,形成空腔、增大洞壁压力和水力摩阻,延长流程,达到防止空蚀和消能的目的。国内外多年来在多个工程中运用,具有一定工程经验,如沙牌水电站（最大流量240 m3/s,水头88.0 m）、公伯峡水电站（最大流量1060 m3/s,水头104.0 m）、九龙河溪古水电站（最大流量491.5 m3/s,水头99.2 m）等。

3 竖井旋流泄洪洞结构设计

竖井旋流泄洪洞在现行设计规程规范中未形成完善的理论体系,目前国内已建工程主要依靠模型试验指导,本方案的设计重在总结前人的基础上,参阅大量类似工程论文及设计资料、观摩类似工程模型试验成果,在半理论半经验设计过程中结合水工模型试验不断优化完成；该泄洪建筑物的布置设计主要在于上平段和竖井段,具体布置见图3。

图3 竖井结构图（高程单位：m）

进口段为开敞式自由溢流,进水方位N84.38°W,采用侧槽WES 实用堰,溢流控制净宽18.0 m,堰顶高程630.00 m,堰顶上游侧采用双圆弧曲线（R1=1.0 m,R2=0.4 m）,下游采用WES 曲线y=0.277x1.85。堰前引渠长6.0 m,宽18.00 m,底坡i=10%。侧槽首端宽度3.0 m,末端宽度6.0 m,底板高程625.46 m～623.66 m,设计底坡i=0.1,内侧边墙铅直,墙顶高程634.60 m。

引水道因处于山体临近水库一侧的斜坡地带,上部山体较薄弱,考虑到施工场地布置和结构施工方便,将引水道设为明渠形式,为竖井旋流提供必要的初始流速及水深；其右边墙从桩号“溢0+028.00 m”处开始收缩,左侧边墙从桩号“溢0+018.00 m”处开始收缩,至涡室入水处将上平段的宽度由6 m 收缩为2.5 m,以保证水流进入涡室后能够正常起旋。引水道轴线方位N17.89°E,长30.76 m（溢0+018.00～溢0+048.76）,含调整段10.0 m 和收缩段20.76 m,其中调整段宽6.0 m～5.05 m,深9.84 m,底坡i=0,底板高程623.66 m；收缩段宽5.05 m～2.5 m,深13.94 m～9.84 m,设计底坡i=0.2,底板高程623.66 m～619.51 m,引水道上游侧因临近水库,墙顶高程均与大坝防浪墙顶高程633.50 m 等高。

涡室段是使引水道水流形成稳定旋转流的必要措施,涡室和竖井要保持过流通畅,必须使涡室和竖井内的漩涡空腔保持通畅,否则可能导致涡室呛水。大量的研究表明,涡室内水流能顺利起旋,其合理直径是竖井直径的1.3～1.7 倍,拟定直径=7.0 m 的圆体结构和涡室与引水道连接段组成,连接段左侧采用直线使引水道左边墙正好与涡室左边相切。蜗室段总高19 m。

竖井作为旋流消能的主要设施,根据其基本原理,为充分发挥其作用,在竖井与涡室之间需设置连接渐变段,较长的渐变段可使涡室旋流下降进入竖井过程中保持或增大水流对周壁的压力；竖井底部为防止水流直接冲击底板,井底应低于退水洞底板高程,保持一定的水垫层。根据多项试验经验和工程实践表明,旋流竖井直径一般由下式估算：

式中：Q 为最大流量根据整体模型中超泄能力试验结果,校核水位时泄流量约为Q=135 m3/s；g 为重力加速度,m2/s；k为参变量,k=Fr0.05=1.061,其中Fr 为涡室进口前行近水流佛汝德数。

考虑留有一定裕度,取竖井直径D=5.0 m。

经优化布置,竖井总深41.75 m,包括与涡室连接渐变段、竖井中段、与退水洞（导流洞）连接段以及底部消力井；竖井与导流洞连接段上游侧设砼堵头封堵,下游侧洞顶设长度为22.5 m 的压板,压板坡度为1∶15,压坡末断面洞高2.0 m。

退水洞利用导流洞改造形成,竖井中心线（溢0+052.00）位于导流洞“桩号0+036.60”处,洞宽4.5 m,直墙高4.5 m,顶拱中心角120°,设计底坡i=2.3%,出口底板高程580.18 m。

消力池设于退水洞末端,采用底流消能形式,消力池长18.0 m,宽4.5 m～6.5 m,末端设消力坎,坎顶高程578.50 m,消力池深1.0 m,末端下游左侧设导墙将下泄洪水排入下游河道。

4 水工模型试验成果

为验证该泄洪建筑物体型布置及设计的合理性,对其进行了水工模型试验,对P=0.1%、P=2%、P=0.2%、P=3.33%、P=5%、P=10%、P=20%七种工况的泄洪能力进行了复核,对下泄水流流态进行了观察,测量了泄洪洞沿程的压力、水面线等,试验结果表明：

（1）采用旋流竖井可以满足泄洪消能要求；在校核水位时,泄流量约为142 m3/s,满足设计要求；各工况下水流经上平段调整,均能平顺进入涡室起旋。

（2）水流从实用堰下泄至溢洪道,水流向两侧壅高,因此上平段开始水深呈中间低,两侧高的状态,但经随后的收缩段及陡槽段的调整后,水深逐渐平缓,水流平顺进入涡室后顺利起旋；水流在涡室内顺利起旋后,始终贴着涡室壁面以及竖井壁面流动。

（3）在竖井最下部,水流仍具有比较明显的旋转流动,产生的离心力使水流贴壁,壁面的压力为正,避免了竖井壁面的空化空蚀破坏。

（4）水流进入水垫时仍存在切向流速,水垫内的水体在此涡量的作用下也旋转起来,现场试验证实,此流动形态有利于清除掉入水垫内的较小的杂物（泥沙、碎石等）。

（5）水流经过较长压坡段的调整,流出有压段进入下平段后,水面比较平顺,无不良流态出现,不出现突然窜起较高的现象。

（6）随着泄流量的减小,竖井旋流泄洪洞沿程水深逐渐减小,洞顶余幅也相应增大,因此泄洪洞的运行更为安全。

（7）对下平段压坡结束后断面进行了流速测量,最大流速为校核工况为14.79 m/s,其余均小于13 m/s,泄洪洞没有空蚀危险。

（8）脉动压力测量结果表明,涡室段、收缩段、竖井段的脉动压力均不大,虽然存在低频脉动,考虑到整个竖井埋在山体里,不是轻型结构,因此不会发生共振问题,无需进行特殊处理；消力井出口处的压坡段因水流紊动强烈,脉动压力较大,在结构设计时需做加强处理。

5 结语

选择技术可行、经济合理的泄洪、消能建筑物,对加快山区河流开发有着积极意义,通过模型试验,验证了魁龙水库泄洪建筑物设计的合理性和可行性,各工况条件下溢流堰均能满足泄流需求,泄洪洞出口与下游河道衔接良好,泄洪建筑物结构体型具有较好的泄流、消能和防冲效果,工程的实施可为类似不设闸旋流泄洪洞的规划设计提供参考。