□黃繼寬(奎屯農(nóng)七師勘測設(shè)計(jì)研究院(有限公司))
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□黃繼寬(奎屯農(nóng)七師勘測設(shè)計(jì)研究院(有限公司))
摘要:將導(dǎo)流洞改變成泄洪隧洞的過程中,國內(nèi)外都積極的應(yīng)用了消能策略。因?yàn)閷?dǎo)流洞水頭大、流速高、出口低,不但容易導(dǎo)致空蝕破壞,還會(huì)導(dǎo)致洞內(nèi)腐蝕,同時(shí),下游水和出口還很難有效的銜接到一起。對(duì)此,國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)及人事都開始投入更多的精力研究消能方案,在改善傳統(tǒng)方案的不足之處時(shí)發(fā)揮著重要的作用。因此,為了能夠更加扎實(shí)的掌握該項(xiàng)技術(shù),文章通過下文對(duì)相關(guān)方面的內(nèi)容進(jìn)行了探究,從而為有關(guān)研究人員在實(shí)際工作中提供一定的幫助作用。
關(guān)鍵詞:導(dǎo)流隧洞;變?yōu)?;泄洪隧洞;消能方?/p>
將大型水利樞紐修建在大江大河的狹窄河谷上,經(jīng)常對(duì)隧洞導(dǎo)流的方式進(jìn)行使用。因?yàn)榇蠛?、大江河流量大,因此,?duì)導(dǎo)流洞的規(guī)模上也提出了更高的要求,并且,施工投入較大,所以具備相應(yīng)的技術(shù)難題,此項(xiàng)工程還很難順利的完成。因此,用泄洪隧洞取代導(dǎo)流隧洞是一個(gè)非??煽康倪x擇。然而,在工程運(yùn)行中,離不開消能方案的支撐,是完成轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵所在,所以需要引起相關(guān)部門及工作人員的重視。
導(dǎo)流洞進(jìn)水口為有壓短管進(jìn)口,其后銜接無壓隧洞,隧洞總長690.60 m(平面樁號(hào)690.00 m),由閘井段、洞身段(漸變段、直線段、平面轉(zhuǎn)彎段、結(jié)合段)、出口暗渠段、消能段、海漫段及出口防沖段組成。
導(dǎo)流洞前段洞身襯砌均采用C25鋼筋混凝土,底板厚度40 cm,側(cè)壁厚度40 cm。采用側(cè)壁C30鋼筋混凝土作為結(jié)合段洞身襯砌均,50 cm厚度;20 cm厚C70硅粉混凝土抗磨層作為底板表面襯砌,30 cm厚C30鋼筋混凝土構(gòu)成下部結(jié)構(gòu),回填灌漿洞身頂拱,并按照巖石節(jié)理裂隙情況,固結(jié)灌漿圍巖。在洞頂120°范圍內(nèi),梅花型布置回填灌漿,灌漿孔孔深65 cm,孔徑5 cm,深入圍巖5 cm,M30為水泥砂漿灌漿材料,分兩步進(jìn)行,灌漿壓力0.50 MPa,每排3個(gè)孔,孔距3 m。
2.1隧洞洞外效能措施
將啟閉機(jī)室和工作閘門設(shè)置在有壓隧洞出口,閘門前有漸變段存在,消能設(shè)施一般被設(shè)置于出口之后。底流消能和挑流消能是泄洪隧洞出口處的兩種重要的消能方式。因?yàn)樗矶闯隹趯挾扔邢?,流量的單寬也較大,集中了很多能量,這樣常把擴(kuò)散段設(shè)置在隧洞的出口位置,目的是為了將單寬的流量降低。
在隧洞出口高程接近或者高于地下水位時(shí),而且地質(zhì)條件比較適宜時(shí),對(duì)擴(kuò)散式挑流消能方式進(jìn)行應(yīng)用是最為合理的,這種消能方式在國內(nèi)外都普遍的得到了應(yīng)用及推廣。當(dāng)河道和隧洞軸線的交角度較小時(shí),可以對(duì)斜切挑流鼻坎方式進(jìn)行使用,這樣就能夠向著河床中實(shí)現(xiàn)偏向挑流,降低對(duì)對(duì)岸的沖刷。文章以新疆省某水利工程為例,本工程出口消能采用底流式有砍消力池,樁號(hào)0+655.50~0+695.50段為拋物線擴(kuò)散段,底寬由3.00 m漸變到10.00 m,拋物線方程為Y=0.063X2,拋物線末端接消力池底板;樁號(hào)0+695.50~0+760.50段為消力池段,池底高程為1040.00 m,池頂高程為1050.50 m,池長65 m,池寬10 m,池深12.50 m,消力坎高8.50 m。
當(dāng)存在和下游水位接近的隧洞出口高程時(shí),可以選擇平臺(tái)擴(kuò)散水躍消能方式,有曲線擴(kuò)散段、陡坡擴(kuò)散段、消力池和水平擴(kuò)散段一同構(gòu)成了該消能段。水流在出口處離開之后,通過平臺(tái)以橫向的方式向四周擴(kuò)散,在流經(jīng)曲線位置完成擴(kuò)散之后,向著消力池中進(jìn)入。因?yàn)椴粩鄶U(kuò)散的水流,有著較小的單寬流量,這樣消力池所需要的長度和深度就會(huì)被相應(yīng)的減少。底流式的消能方式比較可靠、充分,不會(huì)過于嚴(yán)重的影響到下游水面的波動(dòng)。然而,這種消能方通常具備較大的開挖量,施工時(shí)間長,材料需要的量多,造價(jià)比較高。
現(xiàn)階段,我們國家還經(jīng)常對(duì)逆波動(dòng)式消力池進(jìn)行使用。有一段不大的靜水池存在于這種消能結(jié)構(gòu)中,將調(diào)流鼻坎設(shè)置在了池的末端。在設(shè)計(jì)流量大于宣泄的流量時(shí),就會(huì)有底流水躍在下游中形成。當(dāng)在設(shè)計(jì)數(shù)值以上存在著流量時(shí),這樣就會(huì)將水池中的水體被水流推出來,生成挑流。所以,可以確保小流量的情況下在池中也能夠完成消能,防止挑射不遠(yuǎn)或者不能夠挑射而對(duì)鼻坎末端的地基帶來沖刷影響。當(dāng)選擇這種布置方式時(shí),需要進(jìn)行水工模型試驗(yàn),以保證在合理的流量下,挑射出水流。
2.2分析消能方式中可能遇到的困難
天然河道河谷的變幅較大,河道狹窄,為了將水利樞紐修建于該地段中,經(jīng)常會(huì)應(yīng)用導(dǎo)流隧洞的方式。但是,對(duì)于泄洞下游,一般消能方式的水流銜接,普通的高程是很難達(dá)到的。一旦設(shè)計(jì)的過程中以底流消能方式去做,由于有著較低的水位在下游,經(jīng)常需要將較大的消力池挖掘出來,這樣就會(huì)過多的二次開挖基巖。一旦設(shè)計(jì)的過程中依據(jù)挑流的消能方式,這樣由于有過高的水位存在于下游位置,一般下游水面常常低于出口挑流鼻坎,而造成二次澆筑混凝土的混凝土量會(huì)比較大。不管是二次開挖基巖,還是二次澆筑混凝土,經(jīng)常需要在工期吃緊的導(dǎo)流隧道封堵時(shí)候完工,所以,就會(huì)有一定的技術(shù)困難存在于其中,最后就會(huì)提升工程的施工成本,難以實(shí)現(xiàn)二者之間的相互轉(zhuǎn)換。
通過上述分析能夠發(fā)現(xiàn),在將導(dǎo)流隧道變?yōu)樾购樗矶吹臅r(shí)候,還存在著一定的技術(shù)難題,下游河道水位變幅過大和常規(guī)泄洪消能方式之間的矛盾,長期以來都是制約二者轉(zhuǎn)換的一個(gè)難題。常規(guī)的底流和挑流消能區(qū),一般在泄洪建筑物的外部進(jìn)行設(shè)計(jì),一旦可以找到某種正確的效能方式,將洪水的大部分能量在泄洪建筑物的內(nèi)部就能夠?qū)崿F(xiàn)消散,這樣使剩余量在泄洪建筑出口處就會(huì)被逐漸的降低。一些時(shí)候,為了實(shí)現(xiàn)泄洪的目的,將建筑物的出口少做甚至不做二期工程,這樣對(duì)于下游水流銜接的要求就能夠非常有效的給予滿足,這樣就能夠使二者之間順利的完成轉(zhuǎn)換,大大的改善了轉(zhuǎn)變中的經(jīng)濟(jì)情況,為工程的順利發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
2.3分析內(nèi)部消能方式
內(nèi)部消能主要是憑借建筑物或者洞內(nèi)消能的特別構(gòu)造,迅速的改變水流的形式,這樣就會(huì)有漩渦等情況出現(xiàn)在水流的內(nèi)部,將大量的機(jī)械能就會(huì)集中起來一同消耗掉,從而把一定的壓力降低,減緩水流的流速,實(shí)現(xiàn)對(duì)下游和洞身保護(hù)的目的。對(duì)消能工從水力學(xué)的角度入手進(jìn)行分析主要表現(xiàn)為:渦旋式消能工、井內(nèi)對(duì)沖水墊塘式消能工、混合交互式內(nèi)消能工、突擴(kuò)縮式消能工。
在應(yīng)用內(nèi)部泄流方式時(shí),對(duì)于其中的力學(xué)公式,必須要扎實(shí)的進(jìn)行掌握:
文章以某工程為例,其導(dǎo)流洞進(jìn)水口為有壓短管,底板高程1083.00 m,b×h=3.00 m×2.50 m為閘孔的尺寸,洞身為無壓隧洞,洞身斷面為城門洞型。滿足進(jìn)口有壓流的最低水位為1087 m,其泄流能力按下式計(jì)算。
式中:μ—流量系數(shù),計(jì)算取值0.88;H—弧門孔口底板以上水頭(m);h—弧門孔口高度,取值2.50(m);A—弧門孔口面積,計(jì)算取值3.00 m×2.50 m;ε—垂直收縮系數(shù),取值9.14× 10-1。
計(jì)算洞身水面線
洞身段水面線按明渠恒定非均勻漸變流水面曲線計(jì)算,摻氣水深按下式計(jì)算:
式中:hb—計(jì)入波動(dòng)及摻氣的水深(m)用hb表示;h—不計(jì)波動(dòng)及摻氣的水深(m),用h表示;不計(jì)波動(dòng)及摻氣的計(jì)算斷面上的平均流速(m/s),用V表示;修正系數(shù),一般取1.00~1.40,本階段取1.40,用ξ表示。
綜上所訴,在科技發(fā)展的推動(dòng)下,世界各個(gè)國家都在嘗試將導(dǎo)流洞改為泄洪隧洞,并且,通過大量的實(shí)踐證明,這種轉(zhuǎn)換方式是最具經(jīng)濟(jì)性的。然而,在以前的轉(zhuǎn)換過程中,卻經(jīng)常的會(huì)遇到一些困難,究其原因,主要是將導(dǎo)流洞改為泄洪隧洞的過程中,它的消能方面經(jīng)常的存在一些困難,容易對(duì)工程帶來損耗,下游水和出口水銜接起來還比較難,種種原因?qū)е略擁?xiàng)工作推進(jìn)比較困難。因此,為了能夠有效的推動(dòng)我國水利工程系統(tǒng)建設(shè)不斷的向著高速、穩(wěn)定的方向發(fā)展,文章通過上文就為導(dǎo)流動(dòng)改為泄洪隧洞的消能方式等方面的內(nèi)容進(jìn)行了分析與闡述,從而為有關(guān)單位及工作人員在實(shí)際工作中提供一定的理論支撐。
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(責(zé)任編輯:趙鑫)
收稿日期:2015-11-22
作者簡介:黃繼寬(1983-),男,本科,工程師,研究方向:水利工程設(shè)計(jì)。
中圖分類號(hào):TV135. 2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1673-8853(2016)02-0065-02