在水利水电工程建设过程中，泄水建筑物是水库重要的组成部分，它具有泄洪、发电、灌溉、供水等多种功能，关系到整个水库的安全运行。随着水利工程建设规模的不断扩大，其工程规模也越来越大，泄水建筑物的类型越来越多，根据泄水建筑物的作用、特性以及工作条件等，可分为拦河闸、溢洪道和泄水闸等几种类型，不同类型的泄水建筑物其设计计算方法也不同，因此需要结合实际工作情况，对泄水建筑物进行科学设计，保证水利水电工程各项功能的正常发挥。

1工程概况

乌恰县康苏水库是克孜河流系中的一条重要的河流，它既能满足农业用水的需要，又能满足生产需要。本项目选择新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州乌恰县康苏镇，总长度为63.1 km，坝址以上集水面积378km²，年均径流348,800m3，是一个典型的典型流域，在流域尺度上具有广阔的应用前景。康苏水库上坝线的正常水位为2520.2m，对应为800万m³、死水位2514m，死库容560万m³，调节库容240万m³，总库容977万m³。康苏水库作为一座控制性工程，担负着为工业园区提供水源的重任，既能解决灌溉用水紧张的矛盾，又能满足当地农业生产的需要。

图1康苏河各主要引水口及水文计算断面分布示意图

2水利水电工程泄水建筑物的设计计算分析

本项目拟采取左岸泄水泄沙隧道与右岸泄洪洞的组合泄流模式，并对其进行了分析研究。为确保坝体的正常建设，根据库水特点，采取一次截流、隧道导流的施工导流方案。针对坝前洪峰流量大、年径流量小、水库利用率高、常年冲砂运行的特点，本项目提出了以洪水冲砂为目的，对导流洞进行改造后，既具有泄洪放空冲沙能力，又能利用导流洞进行冲沙放空，节约工程投资。

2.1导流泄洪冲沙放空隧洞

导流、泄洪冲沙泄洪隧洞是该工程的主要泄水结构，它的前身是工程引水隧洞，具有泄洪冲沙和泄洪泄库的作用。隧道轴线的布置应考虑的问题有：隧道的最小覆盖层厚度、与大坝的相对位置、泄洪洞的消能量、施工数量等。这一次使用了带压的小孔调节流量。进水口为岸塔布局，如果所有的检修工作闸门都设在进水口，没有压力的洞型，由于水流的速度很快，没有压力的洞型不能拐弯，没有压力的洞型有很大的截面，会增加工程成本。如果采取前向下压、中间设工作竖井的方案，即把闸门井放在左坝肩，造成坝肩高边坡的开挖，扩大了无压洞的长度，使洞口处于崩积体内。通过综合对比，提出了一种新的岸塔布置方案，即在洞口设检修闸、出水口设工作闸的环形有压隧道，施工工作量较小。

2.2出口消能段

闸井后方是明渠漫溢式陡边坡，多数位于强风化基岩的上方，横截面形状呈长方形，散布角度11.77度，端部宽度20.0 m，坡度比为1:3.5；后接强风化的消力池，水池长度40m，深度4.5m，尾部设有差动尾坎。为避免消力池底板被冲刷，在出水口河床处有很厚的覆盖层，采用25.0m的短砼护坡、57.47m的砼护坡。同时，它还担负着水库的泄沙作用，在洪水来临的时候，要优先打开这个隧道，把淤积物集中排出，在非汛期，库水位仍维持在正常水位2520.20m的水平，需要在此基础上结合运行期间的水沙监测数据，科学地制定冲沙调度方案，调度图如图2，并对其进行周期性的冲沙，以确保隧洞入口前的冲沙工作，以降低水库的泥沙淤积，保障大坝的安全与正常使用效益。

图2水库调度图

2.3冲沙防沙设计

康苏河泥沙含量高，对水库的冲沙防淤提出了更高的要求，依据水文数据并参考新疆同类工程经验，提出了“蓄清排浑”的冲沙方式，即在洪季有充足的产流条件下，在保证导流能力的基础上，配合泄水冲沙，这段时间河道含沙量大，库区泥沙多发生在汛期；但在枯水期，由于河流中的泥沙含量很低，因此，该河段的径流以工业用水为主。在该工程中，导流洞左岸设置了一座直径5.0m、进水口为2480.0m的有压环形隧道，该隧道采用了汛期泄洪和冲沙措施。在汛期特大洪水来临时，为保证泥沙的安全，应优先打开泄洪洪洞，以满足泥沙冲刷的需要。

2.4水力设计

本隧道在设计初期以导流为主，按10年一遇设计洪峰流量146m³/s，按工程导流要求进行。根据当地的地形和地质情况，确定了该隧道进口段的河床面高程为2480.0 m，该工程的进水底板高程2480.0 m，当时的10年一遇洪水标准146m3/s，导流所需最小洞径为3.7 m，围堰顶高程2489.0 m，围堰高程合理。针对坝前洪峰流量大、年径流量小、水库利用率高、常年冲砂运行的特点，本项目提出了以洪水冲砂为目的，对导流洞进行改造，使其具备泄洪放空冲砂能力，并利用导流洞进行冲沙放空，节约工程投资。以泄洪洞的冲沙量为320m3/s为目标，设计了隧道内径5.0m；根据隧道的地形和地质情况，确定了隧道出口处的高程为2473.90m，隧道的纵向坡度为2.23%；该泄洪洞的水力设计重点是对其泄流能力、测压管水头、泄泄量和泄气量的计算等方面作了详细的分析。

2.4.1泄流能力计算

1）库水水位在2487.50m及以上时，是一种有压力的隧道，它的泄水量是通过工作闸门的孔口来控制的，它的泄流容量可以用下列公式来计算：

其中：ω是隧道出水口截面面积；T0---是上游水位与隧道出水口水位差 T和上游水流速度水头的总和，取 T=T0；Hp---是隧道出水口的平均单位势能， hp=0.5 a+ p/γ，其中， a是出水口高， p/gamma是出水口截面的单位压力能，其中 P/γ=0.5 a；μ---表示流速因子，公式中： zeta i—是当地的能量损耗系数，对应于其上的流速ω i；l-为隧道的一部分，对应的断面面积，水力半径，谢才系数为ω i，谢才系数为 Ci。在此基础上，通过对各部分的局部水头损失和沿程损耗系数的计算，得出了导流、排沙、排沙的泄流系数μ=0.6773，对应于设计洪水位2520.20m时的泄流速度为320m3/s；在校核洪水水位2524.12m的情况下，排出的水量为335.5m³/s。如图3：

图3 康苏水库上坝线调洪图（P=2%）

2)计算有压力的溶洞段压坡线（压力管道的水头）。为确保有压洞室沿洞顶处有一道正压（不少于2m水柱），以防止空化，也可为隧道衬砌设计提供参考，需通过对洞内测压管进行测量，并画出相应的压坡线。有压洞体的最小承压力为3.35m，可满足洞顶2.0m的设计要求。

3）通气量计算

泄洪隧洞的事故检修门后应设置通气孔，以便在正常泄流、充水、放空等情况下担负充气和排气作用。通气孔面积估算公式：

式中ω--闸门后管道断面面积；υω--闸门孔口处流速；υa--通气管允许风速，取40m/s。

计算得，门后通气孔面积0.88m2，设2根直径D=0.8m通气管。

4）抗蚀计算

水流空化数按下式计算：

Ha—10.33-Z/900；式中h0---计算断面上的压力水头；ha---计算断面大气压力水头；hv---水的饱和蒸汽压力；V2/2g---计算断面的流速水头；Z---当地海拔高度。选取3个断面，按隧洞规范，不同工况计算水流空化系数为1.05～1.77，而本工程初生空化系数查防空蚀规范及有关资料为0.7，故该导流泄洪隧洞不会发生空蚀破坏。

5）出口消能计算

第一，消能形式选择。根据水力学分析，天然条件下，大坝下游水位总体偏低，变化幅度大，很难形成稳定的地表径流和斗流；由于河道及两岸岸坡的地质状况，采用挑流消能方式，很难确保左岸及下游河道的安全，存在较大的安全隐患。因此，在该工程中，建议采用底流消能型式，最大单宽流量为12.55m³/s。

第二，消能计算。泄沙洞的泄沙孔是一种由冲洪积（Q3al）卵石和卵石组成的夹块石结构，容许抗冲流速约0.55 m/s，总体抗冲蚀性能不佳。消能工作为一种重要的消能措施，其首要目标是尽可能地降低泄流能，使其在较短时间内恢复到原来的水平，从而保证建筑物基础及河岸边坡不受侵蚀。该项目采用20年一遇洪峰流量251m³/s的消能防冲方案。结合工程实例，提出了底部流消能方案。水跃收缩水深计算公式：

 式中：以下游河床为基准面的上游总能头；收缩断面水深(m)；q—过闸单宽流量(m3/s/m) 流速系数，取0.95；

2.5溢洪洞

在可研阶段，针对溢洪隧洞布置，采用正堰泄洪洞和侧堰溢洪洞两种方案进行比较，通过比较，确定正堰溢洪洞比侧堰溢洪洞投资低518.30万元，并推荐正堰泄洪洞，该工程拟采取正堰泄洪洞布局型式，平板门控制，堰型选用具有较大过流能力的 WES实用堰。

2.5.1结构布置

溢洪隧洞是该工程的主要泄流结构，它坐落在坝体的右岸，具有很强的抗冲能力。可研方案选定的溢流隧道轴线为平面内1个弯道，圆心角44.54度，转弯半径60。按SL279-2002 《水工隧洞设计规范》3.1.12中的“大流量无压力隧道不得设弯曲断面”的规定。对于大流量的有压隧道，在设曲线断面的情况下，应通过实验来确定其曲率半径及转角。”本项目的溢流隧道最大流量为18.90 m/s，属于高速、无压力的隧道，按照规范要求，尽可能地避免设置弯道。在本项目中，隧道的轴线布置以最小的围岩厚度、与坝体的位置关系、出口消能和工程量为重点，平面上的布置采用直线，采用无压洞来调整水流。泄洪洞采用平面门控型，堰型选用 WES实用堰，堰面高度2514.20 m，孔数×宽×高2×5.5×6m，最大泄水量675m3/s。泄洪洞包括进水道段，入口控制段，无压力隧道段，出水消力池段，总长度为520.43m。

2.5.2泄洪洞部分

泄洪洞全长368.06m，坡度1:50，是一座城门洞形的隧道，隧道穿过侏罗系下统下组砾石夹砂，在新鲜岩层中穿行。泄洪洞进水口为28.0m，底部由13.0m缩小到8.0m，洞高8.51m，塌落度5.13度，局部地段为 IV级，局部地段为 III级，地段为1.5-0.8m，由C35混凝土衬砌。出水口位置为Y0+342.30 m~Y0+366.30 m，洞口宽度由8.0 m扩展到10.0 m，洞高8.51 m，漫射角2.39°，围岩等级 III级，用C35混凝土衬砌，衬砌厚度0.8-1.5 m；桩号YH0+366.30后，以1:4的坡度连接至2491.50m，其后16.46m为一平坡，洞高8.51m-11.41m，以1.5m厚的C35混凝土衬砌；中央泄洪洞底部为8.0m，洞高8.51m，其中 IV级围岩部分为厚1.0 m的C35混凝土衬砌；III级围岩段顶板为C20砼挂网喷浆，喷C20砼0.2 m，挂网钢筋φ8@150x150，直墙断面为0.8 m厚的C35砼衬砌。

2.5.3出口消力池段

泄洪洞的出水处连接在一块大石头上的消力池，该消力池全长40.0 m，在洞中16.46 m，在洞外的地方有23.54 m，在外面的一些地方有一个梯形的断面，它的漫射角为12.0度，它的末端宽20.0 m，池深4.0 m，底板高程2491.50 m，消力池底板厚2.5 m，底板设φ25锚杆，锚杆长6.0 m，间、排距3.0 m，梅花形布置。鉴于消能池的出水处直接面对天然冲沟，虽然通过消能池的水可以抵消掉大部分的能量，但是消能池的出水处直接面对着对面的山体，如果不加以治理，将有可能导致滑坡失稳，因此，本项目拟在消能池后增设消力塘，实现二次消能，消能后的水通过消力池流入下游河道。

3结语：

综上，泄水建筑物的设计计算，应根据工程的具体条件进行，并对枢纽布置、结构分析、水力学计算、稳定计算、强度计算、抗震计算及结构设计等进行综合分析，使设计的建筑物能够满足工程安全需要和经济合理。

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