水力隧洞的泄流能力及挑距计算结果分析

（1）泄量计算

①流态判别

已知洞长L=409.162 m，底坡i=0.0407，糙率n取0.015，经计算i＞ik（临界坡），为陡坡，隧洞自由出流，则：

H/d＞1.5时隧洞为有压流；

H/d≤1.5时隧洞由不稳定流过渡至无压流，其中H为上游水深，d为洞高。

②隧洞为无压流的水力计算

由于底坡为陡坡，隧洞的泄流能力不受洞长影响，进口水流为宽顶堰流，故可用下式计算泄流量Q：

式中：b为隧洞过水断面的宽度；

δs为淹没系数，当为自由出流时δs＝1；

g为重力加速度；

m为流量系数，取0.34；

H0为以隧洞进口断面底板高程起算的上游总水头。

③隧洞为有压流的水力计算

隧洞为有压流时，其泄流能力按下式计算

式中：μ为流量系数。

经计算：μ＝0.50304。

式中：w为隧洞出口断面面积，w=5×5=25 m2；

T0为上游水面与隧洞出口底高程差T及上游行近流速水头v2/2g之和，本计算取T0＝T；

Hp为隧洞出口断面水流的平均单位势能，hp=0.5d+p/γ；

取p/γ＝0.5d，则有p/γ＝d。

④隧洞泄流计算

采用以上计算方法，可以得到隧洞在设计洪水位时最大泄量为633.533 m3/s，校核洪水位时最大泄量为639.619 m3/s，隧洞的水位-流量关系曲线见图8.3-1。

图8.3-1　放空泄洪排沙洞水位-泄量关系计算曲线

（2）消能计算

①最大冲坑计算

最大冲坑水垫厚度tk（自水面至坑底）计算公式：

tk=kq0.5h0.25

校核洪水位时的计算结果见表8.3-1。

表8.3-1　放空泄洪排沙洞出口冲坑计算结果

②挑距计算(www.xing528.com)

挑距计算采用规范推荐的公式：

校核洪水位时的计算结果见表8.3-2。

表8.3-2　放空泄洪排沙洞出口挑距计算结果

（3）水库放空计算

根据规程规范的要求，考虑到九甸峡水利枢纽工程为混凝土面板堆石坝、坝高133 m、总库容为9.43亿m3、工程规模大、死水位以下的坝高占总坝高的2/3的特点，为了保证死水位以下的坝体、面板及趾板等的检查和检修，提高工程的安全度，进行水库的放空设计是必要的。右岸放空泄洪排沙洞的作用不仅是泄洪排沙，同时还承担水库放空检修的任务，放空计算主要根据九甸峡水利枢纽的调度方案，按照各水平年月入库净流量计算水库的放空时间。水库最低可以放空到2029～2133 m高程。

九甸峡水利枢纽工程为年调节水库，主要满足引洮工程的供水要求，根据水库的调度运行计划，各月水库的水位见表8.3-3。对各种典型年各月入库净流量进行统计分析，结果见表8.3-4。据此，对每个月水库放空需要的时间进行了计算，放空计算结果见表8.3-5。

表8.3-3　九甸峡水库各月水位

表8.3-4　典型年各月入库净流量

表8.3-5　水库各月放空时间

（4）模型试验

为了研究放空泄洪排沙洞布置的合理性和水力特点，委托水利部西北水利科学研究所进行了放空泄洪排沙洞整体水工模型试验和出口段减压模型试验，对隧洞流态、泄量、出口消能、流速分布、气蚀情况等做了详细研究。特别对出口挑流体形进行了优化。

试验结果显示，放空泄洪排沙洞在校核洪水位时的最大泄量为758.1 m3/s，设计洪水位时泄量为752.0 m3/s，均略大于理论计算流量，结果合理。水位和泄量关系曲线见图8.3-2。试验结果见表8.3－6，出口河道冲淤特征值见表8.3-7。

图8.3-2　放空泄洪排沙洞模型试验水位-泄量关系曲线

表8.3-6　放空泄洪排沙洞出口挑距模型试验结果

表8.3-7　最终方案河道冲淤特征值　单位：m

注：河床铺沙高程为2084.0 m

依据本工程水工整体模型试验任务的要求，模型试验对各泄水建筑物体形和布置形式进行了观测，在原方案试验验证基础上，对各泄水建筑物体型进行了局部修改与优化。推荐方案与最终方案试验结果表明，枢纽总体布置符合本工程泄洪实际特点，消能系统较好地解决了各泄水建筑物泄洪时的水流导向归槽问题，总体布置方案是合理可行的。

①在校核水位运行工况下，枢纽总体泄流能力较设计值4278 m3/s小0.65%，泄流能力与设计值基本一致；设计水位运行工况下，两种运行组合泄量较设计值2138 m3/s分别大4.27%与4.90%，泄量满足设计要求且有富余。左岸1＃及2＃溢洪洞在校核水位时泄流能力较原方案增加6.16%与5.61%，设计水位时较原方案增加4.40%与5.05%。

②左岸1＃及2＃溢洪洞堰面段横向水深分布趋于均匀，消除了原方案堰面水流发生波动并造成堰面水深横向分布不均匀现象，洞内水流波动较小，沿程水面趋于平稳，流态较原方案显著改善。

③泄水建筑物各部位压力、断面流速与水深分布均匀，体形设计合理，掺气减蚀设施满足泄洪要求。

④消能工程具有体形简单、水舌导向良好、起挑水位低、水舌扩散充分、形态良好、落点位置合理以及河床冲刷程度相对较轻等优点。

⑤虽然右岸泄洪洞有压洞出口段突扩跌坎侧墙为正压分布，突扩跌坎具有良好的掺气效果，但掺气只集中在底部，不能有效地对边墙实施保护，类似工程中已有发生空蚀破坏的实例。建议通过减压模型试验进一步研究突扩跌坎及明渠陡坡段的体形。

⑥左岸溢洪洞进口右侧加设导流翼墙，可根据工程地质实际情况，向库内延伸导流翼墙，同时导流翼墙右侧以圆滑形式与地形衔接，以改善大流量时的进口和堰面流态。

⑦左岸溢洪洞鼻坎出挑流速较小，在低水位小流量运行时，挑流水舌不能完全挑离本岸，设计可依据试验提供不同流量水舌冲刷范围，对鼻坎后岸坡做适当防护。

⑧在运行方式上左岸溢洪洞及右岸泄洪洞可单独或联合运行，但库水位不宜低于其（全开、局开）水舌相应的挑离本岸水位，右岸泄洪洞以全开运行方式为佳；设计工况右岸泄洪洞与左岸1#溢洪洞联合运行为宜。

⑨通过对左岸溢洪洞水流空化特性进行分析，发现可不增设通气减蚀设施。虽然右岸泄洪洞突扩跌坎及掺气坎掺气充分，但为满足泄洪运行安全，应对左岸溢洪洞与右岸泄洪洞施工不平整度加以严格控制，确保工程质量。在施工中应用特种混凝土对左岸溢洪洞溢流堰面进行必要的防护处理。

⑩依据模型试验提供的下游河道流速分布及岸坡淘刷范围，施工中应重点对河道右岸岸坡进行必要的防护，适当加深护岸坡角基础，以保护岸坡安全，确保工程安全运行。左岸1＃及2＃溢洪洞在高水位大流量泄洪运行时，由于出口水舌落差较大，将在下游消能区及河道下游区域产生雾化，水雾（无风时）主要沿河谷向下游飘移，同时雾化在消能区下游沿两岸山坡向上扩散，对右岸岸坡稳定产生不利影响，应引起注意。