科克塔斯水库泄洪洞水力学计算研究

□ 赵 宁 □ 霍鹤飞 □ 徐 威（黄河勘测规划设计有限公司）

1 工程概况

科克塔斯水库位于伊宁市北部的匹里青河出山口水文站上游0.50km处，距伊宁市约30km。水库由混凝土面板堆石坝、溢洪道、泄洪洞、引水发电洞、灌溉洞及电站厂房等建筑物组成，总库容4613万m3，最大坝高88m，是一座以乡镇及工业供水、农业灌溉为主，兼顾防洪和发电等综合利用的中型水利枢纽工程。

泄洪洞由导流洞改建而成，与导流洞在平面上为同一轴线，由引渠段、进口塔架段、洞身段、出口消能段组成。见图1。

图1 泄洪洞消能段末端横剖面图

进口塔架位于导流洞导0+086.00～导0+103.00处，长17m，宽11m，进口底高程922.00m。塔架内设有检修门和弧形工作门各一道，事故检修门尺寸为3.30m×2.88m（宽×高），工作门孔口尺寸为3.30m×2.40m（宽×高）。

泄0+017.00～泄0+362.00（导0+103.00～导0+448.00）为泄洪洞洞身段，断面型式为城门洞型，与导流洞净断面一致3.50m×4.50m（宽×高），泄0+017.00～泄0+087.00的底坡为1.30%，泄0+087.00～泄0+150.31底面为y=0.013x+x2/260的抛物线，泄0+150.31～泄0+163.88底坡为1:2，泄0+163.88～泄0+181.00底面为半径为18.75m的反弧连接段，泄0+181.00～泄0+362.00底坡为1.30%，洞出口底板高程为890.90m。

出口消能段长16m，挑流鼻坎顶高程为892.60m，挑角为25.50°,反弧半径18m，矩形断面底宽由3.50m以两边各6°的扩散角渐变为6.86m。

2 水力学计算

2.1 泄洪洞泄流能力计算

按进口为有压短洞的无压泄流公式计算:

式中:μ—流量系数，工作门前的压坡为1:5，取0.88；H—闸孔底板高程算起的上游库水深，底板高程922m，校核水位962.63m，H=40.63m；设计水位时，H=39.59m;ε—工作闸门垂直收缩系数，对于进口有压短洞，取0.914；e、B—闸门开启高度、水流收缩断面处的底宽，B=3.30m，闸门全开时，e=2.40m；g—重力加速度。

经计算，设计水位961.59m时，泄洪排沙洞泄流能力为188.80m3/s，校核洪水位962.63m时，泄洪排沙洞泄流能力为191.43m3/s。

2.2 水面线计算

2.2.1 起始水深计算

收缩水深hc的公式:

式中:E0—泄水建筑物上游总水头；q—收缩断面的单宽流量；φ—流速系数，对于进口有压短洞，取0.96；g—重力加速度。

经计算，设计水位961.59m，闸孔全开开度e=2.40m，泄洪洞泄量为188.80m3/s时，收缩水深为2.19m；校核洪水位962.63m，闸孔全开开度e=2.40m，泄洪洞泄量为191.43m3/s时，收缩水深为2.19m。

平底闸孔出流收缩断面的计算公式:hc=εe

式中:ε—工作闸门垂直收缩系数，对于进口有压短洞，取0.91；e—闸门开启高度，闸门全开时，e=2.40m；

计算得，收缩水深为2.19m，两种方法计算结果相同。

2.2.2 水面线计算

采用分段求和法，逐段试算，计算公式:

式中:ΔL—计算流段长度，m；Esd—ΔS流段的下游断面的断面比能，m；Esu—ΔS流段的上游断面的断面比能，m；J—流段的平均水力坡度；i—泄槽段纵坡。

水面线计算结果表明:泄0+010.50～泄0+017即塔架工作门后至洞前，水面线上升；泄0+017～泄0+087（底坡为1.30%），水面线上升；泄0+087～泄0+163.88即y=0.013x+x2/260抛物线段和底坡1:2段，水面线下降；泄0+163.88～泄0+181即R=18.75m的反弧段，水面线先降后升；泄0+181～泄0+362（底坡为1.30%），水面线上升；泄0+362～泄0+378即出口消能段，水面线下降。

2.3 泄洪洞掺气水深计算

式中:ha—掺气后水深；h、v、R—未掺气水流的水深、流速、水力半径；△—表面的绝对粗糙度，对糙率为n=1.40×10-2的混凝土，△取2.00×10-3m。

经计算，最大掺气水深为3.15m，掺气水面以上的净空面积为3.45m2，占洞身面积的23.40%，满足规范要求的>15%的要求。

2.4 挑流计算

消能段长16m，挑流鼻坎顶高程为892.60m，挑角为25.50°,反弧半径18m，宽度由3.50m以两边各6°的扩散角渐变为6.86m。

挑流射程及冲刷计算公式如下:

式中:L—自挑流鼻坎末端起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；v—鼻坎坎顶水面流速，m/s，可按鼻坎处平均流速的1.1倍计算；θ—挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，°；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎顶至下游河床高程差，m;T—自下游水面至坑底最大水垫深度，m；q—鼻坎末端断面单宽流量，m3/（s.m）;z—上、下游水位差，m；k—综合冲刷系数，取 1.30；g—重力加速度，9.81m/s2。

根据规范，消能建筑物的设计标准为30年一遇洪水，按挑距和冲坑计算公式，30年一遇洪水泄洪时挑距29.52m，冲坑深度18.94m，冲刷坑上游坡度为1:1.56，根据规范要求和工程地质情况，限定冲刷坡度ik为1:30，计算结果不满足要求。

根据计算结果，设计将挑坎下游齿墙深入下游河床7.50m，30年一遇洪水工况下冲刷坡度为1:3.27，满足规范规定的冲坑要求，保证泄洪时不影响泄洪洞的安全。

3 泄洪洞泄洪时对溢洪道出口的影响

泄洪洞轴线与溢洪道轴线在出口处相距约42m，泄洪洞挑流消能位于溢洪道泄槽末端上游约35m处，应考虑泄洪洞泄洪时对溢洪道的影响。根据现场地质情况，此处坡冲积碎石土的覆盖层约7m厚，其下为弱风化玄武岩，按地质情况碎石土的边坡建议值为1:1.20，弱风化玄武岩的边坡建议值为1:0.50，从安全性考虑，泄洪洞出口与溢洪道泄槽段之间的边坡值取1.20。

从图1中可以看出，泄洪洞出口安全坡与溢洪道边还有22.26m的距离，所以可以得知泄洪洞泄洪时对溢洪道的安全性没有影响。

4 结语

结合科克塔斯水库工程，对有压短洞无压泄流隧洞的水力学计算进行了全面分析，得出以下结论，供相关工程借鉴:进水塔架工作门后的收缩水深可以用简化的平底闸孔出流收缩断面水深的公式进行计算；进行洞身段不同底坡水面线计算的同时，还得考虑洞身净空是否满足要求，以保证整个洞身段是无压泄流；隧洞出口消能段计算时，不仅要满足隧洞出口冲刷要求，还要兼顾出口水流对其他建筑物的影响。

[1]李炜，等.水力学计算手册[M].北京:中国水利水电出版社，2006.