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摘 要：一般情况下泄洪工程通常釆用开敞式溢洪道方案，为了优化设计，对茸草水库泄洪工程提出了二个建设方案：开敞式溢洪道方案和泄洪洞式方案。经过论证优选设计方案。
关键词：泄洪工程 方案选择
中图分类号：TV651.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（b）-0056-02
茸草水库位于德庆县高良镇，是以防洪、灌溉为主结合发电的中型工程。工程在1994年开工。正常水位170 m，死水位156 m。坝顶高程174.5 m，大坝为均质土坝，最大坝高50.5 m。发电引水隧洞位于坝的右岸，进口高程146 m。隧洞长度880 m，内径1.6 m。一般情况下泄洪工程通常釆用开敞式溢洪道方案，为了优化设计，对泄洪工程提出了二个建设方案：开敞式溢洪道方案和泄洪洞式方案。
1 方案选择
1.1 开敞式溢洪道方案
开敞式溢洪道布置在大坝左岸的条形山上。进口釆用驼峰堰型，堰顶高程为165 m，宽度为8 m，堰顶安装弧形钢闸门，上设启闭室，溢洪道陡槽坡率1∶4.0，末端接挑流鼻坎，挑流消能，溢洪道全长146 m。
1.2 泄洪洞方案
泄洪洞的轴线与开敞式溢洪道方案布置在同一位置，位于其下方。进水口高程为156 m，溢洪洞工作方式为进口工作闸门前设置成有压短管，闸后为无压的明流隧洞形式，断面为城门洞形。考虑地形地质条件及与导流洞巧妙结合的因素，泄洪洞进水口段设计成“龙抬头”式。泄洪洞由进口、有压短管、闸门及启闭室、竖曲线段、斜直线段、反弧段、水平段和出口挑流鼻坎组成。水平段与导流段相结合，泄洪洞全长150 m。
1.3 地形地质条件比较
两方案都布置在左岸条形山上，进出口水力条件较好。出口与主河床顺畅衔接。
云利河流域的地层由燕山期侵入岩和奥陶系地层组成。燕山期侵入岩与奥陶系地层的接触带从坝轴线上经过，上游为燕山期粗粒花岗岩，下游为奥陶系砂岩夹板岩。均为坚硬岩基。两大类岩性呈紧密交错穿插接触，接触带从坝址区穿过，横切河谷，接触面近直立，走向近东～西，坝区内无大断裂通过。
左岸山体地表发育2～3 m的残坡积层，覆盖层薄而较稳定，基岩为砂岩夹板岩及粗粒花岗岩，产状为0300/750，利于防渗和岸坡稳定，岩石坚硬，构造不发育，全风化岩石的厚度为10～17 m，强风化岩石的厚度为8～12 m。根据上述地质条件认为，两方案的地基都能满足要求。
1.4 施工条件比较
开敞式方案：溢洪道槽体深槽开挖，深达20多米，斜坡处理较困难，开挖工作量和圬工工作量较大；条形山体将变得更为单薄，对整个枢纽工程稳定不利；且下游出口反弧挑流段不能与导流洞结合，这就使施工导流布置上造成一定困难，即使免强布置，导流完成后，仍要将出口处理。
泄洪洞方案：开挖工作量相对较少，所需技术性较强，但目前有一套较成熟的施工方法；泄洪洞出口段与导流洞出口段可结合在一起，结合段长度为68 m，这样可减少工作量，缩短工期。
1.5 运行营理比较
两方案进口都釆用弧形钢闸门，卷扬式启闭机启闭，机械和电气设施基本相同，运行时需要专人管理；溢洪道两侧边坡高达20多米，不可能全部衬护，容易产生山泥倾泻。泄洪洞全洞砼衬砌，不会有此现象；水位的调度能力不同，水库在汛期水位有限制运用要求，泄洪洞起泄流量较大，对库水位的调节能力较大。
1.6 工程投资比较
工程量包括土石方工程，混凝土工程，机电、金属结构安装工程。溢洪道方案主要工程量为：土石方148172 m3，其中浆砌石1172 m3、混凝土2338 m3，工程造价402.66万元（按1995年价格算，下同）；泄洪洞工程需土石方10273 m3，其中浆砌石783 m3、混凝土2263 m3，工程造价245.68万元。泄洪工程投资比较见表1。
综合各种因素，及考虑工程造价，泄洪洞方案比溢洪道方案节约156.96万元，故选用泄洪洞方案。
泄洪洞纵剖面（图1）。
2 泄洪洞结构布置及泄流能力校核
2.1 结构布置
泄洪隧洞为“龙抬头”式布置，进口段设置一段有压短管，闸前有压，闸后无压的明流隧洞形式。进水口高程156 m，隧洞为城门形结构，洞宽为4.5 m，拱高1.6 m，中心角为141.70，半径2.382 m，洞高根据水面线计算确定，水面水深加掺气水深加安全超高得洞高，净高从6.9 m至4.7 m，砼衬砌厚0.5 m。全洞长150 m，各连接段体形如以下所述。
（1）进口顶板椭圆曲线方程为：x2/62+ y2/22=1
进水口侧曲线方程为：x2/3.32+y2/1.12 =1
（2）压坡段长度取3.6 m，坡率1∶6.0；
（3）弧形闸门尺寸为4.5×4.7（宽×高），圆弧半径为6.5 m，闸室尺寸为4.5×5.5 m。
（4）竖曲线段方程：x2=55.6y。
（5）斜直线段斜率1∶1.10，长度为20 m。
（6）反弧段即斜直线段与水平段连接处，反弧半径R=30 m，大于5倍洞径。
（7）水平段长度68 m，底板坡降i=0.0478。
（8）出口消能段，为降低单宽流量，减少对下游河床的冲刷，出洞后由宽4.5 m渐变至6 m，扩散角为3.86°，挑流消能挑射角15°。
2.2 泄洪洞泄量计算
泄洪洞进口高程的选择，要从三个方面考虑：（1）洞内流态的稳定。（2）形地质条件。（3）与导流洞的连接。对进口高程为140 m、156 m、160 m时，进行计算及分析，确定进口高程为156较适宜。
当H>1.5a时为有压流，a为洞高，H>1.5×4.5=6.75 m。
即水位大于156+6.75=162.75时属有压流态。
有压流计算公式：Q=μBe√[2g（H-εe）]—见参考文献[1]
式中：
H为由有压短管出口的闸孔底板高程算起的上游库水深，H=Z-165；
ε为有压短管出口的工作闸门垂直收缩系数，压坡率为1∶6.0，
取ε=0.918；
2.3 短管洞顶压力验算
进口段在泄流时，应形成正压，避免负压，分下列三种运行情况进行验算。
（1）水库控制运用时，限泄水位为166.27 m，限泄流量65 m3/s。
（2）设计洪水位运行时，设计洪水位170.33 m，相应泄量253 m3/s。
（3）校核洪水运行时，校核洪水位173.24 m，相应泄量286.7 m3/s。
进口段水头损失主要是局部水头损失，损失系数ξ=0.03，局部水头损失hw=ξ.v2/2g。洞顶高程160.5 m，总水头H1=H-160.5-hw。测压管水头Z1+P1/T=H1-V2/2g。计算结果见表3，在上述三种工况下，进口段均能形成正压。
4 结语
方案的比较选择，是为了更好地优化设计，节省投资。从地形地质条件、水力计算要求、运行管理、施工难易、与导流洞的衔接等进行比较，选择了进口高程为156 m，进口段设置有压短管的“龙抬头”式无压泄洪隧洞布置形式为最优方案。泄洪洞工程于1997年5月开工建设，工程进展顺利。
参考文献
[1] 水力计算手册，武汉水利电力学院水力学教研室编[M].水利电力出社出版.
[2] 水工设计手册，华东水利学院主编[M].水利电力出版社出版.
[3] 潘家铮.水工隧洞和调压室（水工隧洞部分）[M].水利电力出版社出版.
[4] 水工隧洞设计规范[S].SD134-84.
[5] 德庆水利志[J].德庆县水利电力局编写，1993，1.
[6] 广东省德庆县防汛手册[J].德庆县水利电力局编写，1994，12.
关键词：泄洪工程 方案选择
中图分类号：TV651.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（b）-0056-02
茸草水库位于德庆县高良镇，是以防洪、灌溉为主结合发电的中型工程。工程在1994年开工。正常水位170 m，死水位156 m。坝顶高程174.5 m，大坝为均质土坝，最大坝高50.5 m。发电引水隧洞位于坝的右岸，进口高程146 m。隧洞长度880 m，内径1.6 m。一般情况下泄洪工程通常釆用开敞式溢洪道方案，为了优化设计，对泄洪工程提出了二个建设方案：开敞式溢洪道方案和泄洪洞式方案。
1 方案选择
1.1 开敞式溢洪道方案
开敞式溢洪道布置在大坝左岸的条形山上。进口釆用驼峰堰型，堰顶高程为165 m，宽度为8 m，堰顶安装弧形钢闸门，上设启闭室，溢洪道陡槽坡率1∶4.0，末端接挑流鼻坎，挑流消能，溢洪道全长146 m。
1.2 泄洪洞方案
泄洪洞的轴线与开敞式溢洪道方案布置在同一位置，位于其下方。进水口高程为156 m，溢洪洞工作方式为进口工作闸门前设置成有压短管，闸后为无压的明流隧洞形式，断面为城门洞形。考虑地形地质条件及与导流洞巧妙结合的因素，泄洪洞进水口段设计成“龙抬头”式。泄洪洞由进口、有压短管、闸门及启闭室、竖曲线段、斜直线段、反弧段、水平段和出口挑流鼻坎组成。水平段与导流段相结合，泄洪洞全长150 m。
1.3 地形地质条件比较
两方案都布置在左岸条形山上，进出口水力条件较好。出口与主河床顺畅衔接。
云利河流域的地层由燕山期侵入岩和奥陶系地层组成。燕山期侵入岩与奥陶系地层的接触带从坝轴线上经过，上游为燕山期粗粒花岗岩，下游为奥陶系砂岩夹板岩。均为坚硬岩基。两大类岩性呈紧密交错穿插接触，接触带从坝址区穿过，横切河谷，接触面近直立，走向近东～西，坝区内无大断裂通过。
左岸山体地表发育2～3 m的残坡积层，覆盖层薄而较稳定，基岩为砂岩夹板岩及粗粒花岗岩，产状为0300/750，利于防渗和岸坡稳定，岩石坚硬，构造不发育，全风化岩石的厚度为10～17 m，强风化岩石的厚度为8～12 m。根据上述地质条件认为，两方案的地基都能满足要求。
1.4 施工条件比较
开敞式方案：溢洪道槽体深槽开挖，深达20多米，斜坡处理较困难，开挖工作量和圬工工作量较大；条形山体将变得更为单薄，对整个枢纽工程稳定不利；且下游出口反弧挑流段不能与导流洞结合，这就使施工导流布置上造成一定困难，即使免强布置，导流完成后，仍要将出口处理。
泄洪洞方案：开挖工作量相对较少，所需技术性较强，但目前有一套较成熟的施工方法；泄洪洞出口段与导流洞出口段可结合在一起，结合段长度为68 m，这样可减少工作量，缩短工期。
1.5 运行营理比较
两方案进口都釆用弧形钢闸门，卷扬式启闭机启闭，机械和电气设施基本相同，运行时需要专人管理；溢洪道两侧边坡高达20多米，不可能全部衬护，容易产生山泥倾泻。泄洪洞全洞砼衬砌，不会有此现象；水位的调度能力不同，水库在汛期水位有限制运用要求，泄洪洞起泄流量较大，对库水位的调节能力较大。
1.6 工程投资比较
工程量包括土石方工程，混凝土工程，机电、金属结构安装工程。溢洪道方案主要工程量为：土石方148172 m3，其中浆砌石1172 m3、混凝土2338 m3，工程造价402.66万元（按1995年价格算，下同）；泄洪洞工程需土石方10273 m3，其中浆砌石783 m3、混凝土2263 m3，工程造价245.68万元。泄洪工程投资比较见表1。
综合各种因素，及考虑工程造价，泄洪洞方案比溢洪道方案节约156.96万元，故选用泄洪洞方案。
泄洪洞纵剖面（图1）。
2 泄洪洞结构布置及泄流能力校核
2.1 结构布置
泄洪隧洞为“龙抬头”式布置，进口段设置一段有压短管，闸前有压，闸后无压的明流隧洞形式。进水口高程156 m，隧洞为城门形结构，洞宽为4.5 m，拱高1.6 m，中心角为141.70，半径2.382 m，洞高根据水面线计算确定，水面水深加掺气水深加安全超高得洞高，净高从6.9 m至4.7 m，砼衬砌厚0.5 m。全洞长150 m，各连接段体形如以下所述。
（1）进口顶板椭圆曲线方程为：x2/62+ y2/22=1
进水口侧曲线方程为：x2/3.32+y2/1.12 =1
（2）压坡段长度取3.6 m，坡率1∶6.0；
（3）弧形闸门尺寸为4.5×4.7（宽×高），圆弧半径为6.5 m，闸室尺寸为4.5×5.5 m。
（4）竖曲线段方程：x2=55.6y。
（5）斜直线段斜率1∶1.10，长度为20 m。
（6）反弧段即斜直线段与水平段连接处，反弧半径R=30 m，大于5倍洞径。
（7）水平段长度68 m，底板坡降i=0.0478。
（8）出口消能段，为降低单宽流量，减少对下游河床的冲刷，出洞后由宽4.5 m渐变至6 m，扩散角为3.86°，挑流消能挑射角15°。
2.2 泄洪洞泄量计算
泄洪洞进口高程的选择，要从三个方面考虑：（1）洞内流态的稳定。（2）形地质条件。（3）与导流洞的连接。对进口高程为140 m、156 m、160 m时，进行计算及分析，确定进口高程为156较适宜。
当H>1.5a时为有压流，a为洞高，H>1.5×4.5=6.75 m。
即水位大于156+6.75=162.75时属有压流态。
有压流计算公式：Q=μBe√[2g（H-εe）]—见参考文献[1]
式中：
H为由有压短管出口的闸孔底板高程算起的上游库水深，H=Z-165；
ε为有压短管出口的工作闸门垂直收缩系数，压坡率为1∶6.0，
取ε=0.918；
2.3 短管洞顶压力验算
进口段在泄流时，应形成正压，避免负压，分下列三种运行情况进行验算。
（1）水库控制运用时，限泄水位为166.27 m，限泄流量65 m3/s。
（2）设计洪水位运行时，设计洪水位170.33 m，相应泄量253 m3/s。
（3）校核洪水运行时，校核洪水位173.24 m，相应泄量286.7 m3/s。
进口段水头损失主要是局部水头损失，损失系数ξ=0.03，局部水头损失hw=ξ.v2/2g。洞顶高程160.5 m，总水头H1=H-160.5-hw。测压管水头Z1+P1/T=H1-V2/2g。计算结果见表3，在上述三种工况下，进口段均能形成正压。
4 结语
方案的比较选择，是为了更好地优化设计，节省投资。从地形地质条件、水力计算要求、运行管理、施工难易、与导流洞的衔接等进行比较，选择了进口高程为156 m，进口段设置有压短管的“龙抬头”式无压泄洪隧洞布置形式为最优方案。泄洪洞工程于1997年5月开工建设，工程进展顺利。
参考文献
[1] 水力计算手册，武汉水利电力学院水力学教研室编[M].水利电力出社出版.
[2] 水工设计手册，华东水利学院主编[M].水利电力出版社出版.
[3] 潘家铮.水工隧洞和调压室（水工隧洞部分）[M].水利电力出版社出版.
[4] 水工隧洞设计规范[S].SD134-84.
[5] 德庆水利志[J].德庆县水利电力局编写，1993，1.
[6] 广东省德庆县防汛手册[J].德庆县水利电力局编写，1994，12.