1、下坂地水利枢纽工程导流洞设计摘要:导流洞是水利枢纽工程中重要的泄洪建筑物之一,而且其泄洪流速一般都很高,很容易产生混凝土的空蚀破坏,从而影响建筑物的正常使用,选择合适的体型是导流洞防止空蚀破坏的首要环节,而防空蚀破坏的关键是导流洞高速流速段洞内过流面压力分布不能产生超过混凝土允许的负压力。本文就下坂地水利枢纽工程导流洞水力设计及所采取防空蚀破坏的措施进行了介绍。 关键词: 水利枢纽; 导流洞;设计 Abstract::The diversion tunnel is one of important flood discharge structures in water conservancy
2、engineering, and the discharge flow rate is generally high, it is easy to produce the cavitation erosion of concrete damage, thus affecting the normal use of buildings, choose the right size is the first step of diversion tunnel to prevent cavitation erosion damage, and anti-cavitation destruction o
3、f high-speed flow velocity is the key to the diversion tunnel flow surface pressure distribution over the hole does not produce more than allow the negative pressure of concrete. In this paper, the sitting under ground water conservancy hub project diversion tunnel hydraulic design and anti-cavitati
4、on damage taken measures are introduced. Keywords: water conservancy hub. The diversion tunnel; design 关闭全屏阅读 中图分类号:TV6 文献标识码:A 文章编号: 1.导流洞工程概况 导流泄洪洞肩负导流、泄洪以及水库放空的综合功能,洞线为直线布置,方位角为 NE85,导流洞进口位于河道转弯处的上游,下游出口距大坝约 800m。导流洞全长 1425.85m,由明渠段、进口段、洞身段、出口段组成。隧洞进口采用竖井式,进口高程 2902m,出口高程2881.23m,采用挑流消能。导流洞在工程导流期
5、结束后,改为泄洪放空洞。孔口尺寸由 78.5m(宽高)导流孔口改造为 56m 泄洪孔口。 1.1 工程地质条件 底洞进口段主要位于元古界第二岩性段的角闪片麻岩中,围岩以类为主,部分卸荷岩石为类。桩号0+0380+044m(地质桩号0+880+094m)段为卸荷岩体,张性裂隙发育,削坡时,将其清除。桩号0+044m 后为弱风化岩体,岩体较完整。竖井位于第三岩性段角闪片麻岩中,岩体较完整,Vp 小于 2350m/s,为类岩体,竖井基础位于第二岩性段的角闪片麻岩弱风化岩体上,基岩承载力为 9MPa。 洞身穿越元古界第二岩性及第一岩性段,洞室围岩为弱微风化,岩体较完整,洞顶围岩 40300m,以类围岩
6、为主,岩层走向与洞线夹角50,对洞室稳定性较有利。洞线共穿越F39、F40、F41、F42、F43、F100、F101、F104 等 8 条断层,断层宽度小于 4m,受其影响,断层及断层影响带为极不稳定的围岩类。 出口段自然边坡坡角 45,受裂隙切割影响,边坡岩体表层风化破碎,需清坡喷护。出口段洞室岩体较完整,为类围岩。 出口采用挑流消能,消能区现代河床宽约 90m,左岸漫滩高出河床710m,岸坡平缓,台地宽约 300m,地形平坦,微向河谷方向倾斜。组成物质主要为冲积及冰碛的块石,漂卵砾石,夹杂砂或碎石,多呈松散半松散状,堆积厚度 200 多米。 2 导流泄洪洞工程布置及分段设计 泄洪洞位于河
7、道右岸,底洞由进口压力段、竖井、洞身、出口挑流鼻坎组成。隧洞进口底高程 2902m,出口挑坎底高程 2881.25m,建筑物全长 1425.847m。 压力进口段由喇叭口及压顶段组成。进口底板高程 2902m,桩号0+0000+045m 为引渠段,纵坡降 i=0。桩号 0+027.30+045m 段为洞进口前的扭曲面段。桩号 0+0450+052 段为进口喇叭口,采用顶部和两侧墙三面收缩的椭圆曲线。喇叭口进口断面为 11.011.0m 的矩形断面。0+0520+100m 段为 78.5m 的矩形断面。 桩号 0+1000+126 为竖井闸室段。0+112.74m 前洞底高程为2902m,其后底
8、坡 i 为为 0.0163,顶部高程为 2966m。竖井内设事故检修闸门和工作闸门各一扇。事故检修闸门位于 0+103.6m 处,孔口尺寸为78.5m,为平板钢闸门。导流结束后泄洪洞工作弧门前采用椭圆压顶和侧收缩形式,孔口尺寸为 56.3m。 桩号 0+1261+385.847m 为洞身段,底坡 i 为 0.0163。其中0+1260+418.19m 段为底洞洞身段,0+418.191+385.847m 为底洞、表孔共用段。 桩号 1+385.8471+425.847m 为出口明槽及挑流鼻坎段,采用矩形扩散鼻坎,底宽从 7m 扩散为 10m。鼻坎反弧半径 r=45m,挑射角 26172,鼻坎中
9、心线坎顶高程 2885.25m。 3 高速流区抗空蚀设计 根据水工模型试验结果可知,导流洞洞内最大流速为 30m/s,所以在抗空蚀和抗冲磨方面采取如下措施: 3.选择合适的体形 选择合适的体形是导流洞防止空蚀破坏的首要环节,而防空蚀破坏的关键是导流洞高流速段洞内过流面压力分布正常而且不能产生超过混凝土允许的负压力,对此问题经过分析、计算及比较并参照流速和泄量相近同类工程的经验选确定了择导流洞体形尺寸,经过水工模型试验表明导流洞在宣泄各种工况泄量时导流洞压力分布正常,无负压产生说明导流洞体形选择是合理的。 3.控制水流边壁局部不平整度 由于导流洞内高流速,混凝土表面任何凸凹不平体都可能造成混凝土
10、表面的空蚀破坏,因此严格控制导流洞高流速段过流面的不平整度,要求混凝土施工时留下来的接缝错台、模板印痕、混凝土残渣或局部混凝土脱皮和剥落时留下来的坑穴、局部放线不准或模板走样造成的凹凸面,以及其它凸体、跌坎等其突起高度不得超过 3mm,并在允许的高度范围内一律按顺水流方向 1/50、垂直水流方向 1/30 进行缓坡处理。 3. 3 设置掺气槽 根据其它工程经验对高流速隧洞设置掺气槽向水流中掺气是解决空蚀破坏的有效手段之一,结合导流洞洞内高流速特点,为了防止高速水流在跌落段、反弧段及平洞段交接部位附近产生空蚀破坏,分别在反弧段上、下游端设置掺气槽,以向水流中掺气减少过流面的负压力,而达到防止空蚀
11、破坏的目的。上、下掺气槽的体形是经过水工模型试验反复优化后确定的,而且经过水工模型试验验证在导流洞在渲泄不同工况泄量时均能形成稳定的空腔,掺气充分、连续,通气良好,导流洞过流面压力分布正常,无负压产生。 3. 4 选用高强抗蚀耐磨混凝土 为了防止导流洞过流面空蚀破坏,一方面采取措施减少负压防止空蚀破坏的发生,另一方面要采区相应的措施提高导流洞抗空蚀能力。抗冲耐磨混凝土种类很多,通过价格、施工可操作性、施工后混凝土出现裂缝情况、以及国内、外已建水利水电工程高流速水工遂洞抗空耐磨材料应用实例,参照水工混凝土抗冲磨防空蚀技术规范并在水工试验的基础上对导流洞高流速区选用 HF 高强抗蚀耐磨混凝土。试验
12、结果表明在水泥用量增加很小(约 10%)的情况下,即可将 C30 普通混凝土提升为抗空耐磨 C45 特种混凝土,与普通混凝土相比抗空蚀耐磨性能得到很大提高。 3.挑流消能 根据隧洞出口段的地形地质条件,隧洞出口选用挑流式消能工。出口消能区要以保证下游边坡及挑流鼻坎稳定为主要目的,合理控制水舌落点,尽量分散射流入水点能量,防止回流产生大的淘刷。通过降低局部水域入水能量的集中程度,减少单位面积冲刷能量,进而减小冲刷坑深度,达到消能防冲的效果。泄洪洞出口渲泄设计洪水时 Fr=1.8,表孔单独下泄校核洪水时 Fr=2.1;洞身末端底高程为 2991.086m,下游水位为 2879.2m2880.2m。
13、由于水流佛氏数低,出口与下游河道落差又小,因此消能工不具备高挑角大挑距的纵向分散消能的条件,宜采用横向扩散消能的型式,使水流与下游河床平缓衔接。 根据出口右侧地形比左侧远地形特点,设计采用左短右长、左低右高的鼻坎形式,隧洞出口桩号为 1+395.847m,采用矩形过水断面,底宽7m,水流流速 1620m/s。桩号 1+402.8471+425.847m 为出口挑流鼻坎,根据水工模型试验,采用矩形等原弧扩散鼻坎,底宽从 7 扩散为16.17m(斜长) 。鼻坎坎顶高程 2883.272885.971m。反弧半径R=51.54m,挑射角 25.46校核洪水情况下,最大挑距 46m,河床最大冲坑深度 9.4m。由于回流的影响,河床右岸最大冲刷深 13.5m。根据实验情况,对出口采取防冲齿墙和基础锚杆对鼻坎基础进行抗冲加固。 4.结束语 下坂地水利枢纽已安全运行近六年,经过多次泄洪证明下坂地水利枢纽工程导流洞水力设计是合理的。 马建卫,男,汉族,1980 年 1 月出生于陕西眉县,工学学士,工程师。