唐家灣水庫(kù)非常泄洪洞消能設(shè)施的優(yōu)化

呂平

（山西省水利水電科學(xué)研究院，太原030002）

1 唐家灣水庫(kù)泄洪設(shè)施概述

唐家灣水庫(kù)樞紐主要由大壩、沖砂泄洪洞、灌溉洞和提水泵站四部分組成，水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇洪水設(shè)計(jì)，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，人為地改變了水庫(kù)原校核洪水位的汛限起調(diào)水位，使水庫(kù)校核標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。水庫(kù)舊泄洪洞位于大壩中部0+165.00樁號(hào)處，洞身與壩軸正交，洞身為城門(mén)洞型，出口為底流消能。新設(shè)計(jì)的非常泄洪洞（以下簡(jiǎn)稱(chēng)泄洪洞）位于大壩左側(cè)，為一雙孔矩形箱工混凝土結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)144.61 m，百年一遇洪水位時(shí)，泄量為410.46 m3/s，千年一遇洪水位時(shí)，泄量為423.79 m3/s。主要由洞身段、陡槽擴(kuò)散段、消力池段及海漫段防沖槽段四部分組成。水庫(kù)運(yùn)行方式為：百年一遇洪水來(lái)臨時(shí)，由舊泄洪洞泄洪，當(dāng)洪水位超過(guò)百年一遇洪水位時(shí)，全部開(kāi)啟非常泄洪洞與舊泄洪洞泄洪。本文主要針對(duì)非常泄洪洞的消能效果進(jìn)行了探討，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化了消能設(shè)施，提出了高效可行的設(shè)計(jì)方案，節(jié)約了工程成本。

2 模型設(shè)計(jì)及水力要素量測(cè)

試驗(yàn)采用正態(tài)模型制作，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型制作滿(mǎn)足《水工模型試驗(yàn)規(guī)程》精度的要求，通過(guò)計(jì)算比選，選定λL=40，模型各物理量比尺如下：

長(zhǎng)度比尺：λH=λL=40

流速比尺：λv=λL1/2=6.32

流量比尺：λQ=λL5/2=10119.29

糙率比尺：λn=λL1/6=1.85

泄洪洞為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其糙率為np=0.014～0.015，相應(yīng)模型糙率為nm=0.0075～0.0081，采用聚氯乙烯板和有機(jī)玻璃板制作模型，其糙率n=0.0079～0.0085，可滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。為了方便試驗(yàn)觀測(cè)，模型側(cè)墻采用有機(jī)玻璃板制作。泄洪洞流量用三角堰量測(cè)，水位用針型水位計(jì)量測(cè)，流速用86型直讀式微型旋漿測(cè)速儀量測(cè)。

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 原設(shè)計(jì)方案

原方案中消能部分體型布置如圖1（圖中高程為相對(duì)高程，下同），分別設(shè)0+169.61為斷面一，0+199.61為斷面二，0+229.61為斷面三，0+244.61為斷面四，0+274.61為斷面五，修改方案亦同。

圖1 原方案布置圖

通過(guò)施放洪水，泄洪洞斷面一（0+169.61）后接擴(kuò)散段，在0+172.81～0+173.61處左右側(cè)均有脫流現(xiàn)象，兩側(cè)水面比中部水面低2.3 m～3.0 m，水體經(jīng)陡坡在消力池內(nèi)產(chǎn)生完全淹沒(méi)水躍，在斷面五（0+274.61）坎頂斷面左右側(cè)水面高于中間水面約0.6～0.9 m。到0+290.61斷面后直至0+305.61斷面處水面為中間高兩側(cè)低。部分?jǐn)嗝娴乃娓叱桃?jiàn)表1。

非常泄洪洞斷面一上游25 m處斷面設(shè)計(jì)與校核條件時(shí)平均流速分別為13.18 m/s、14.87 m/s，擴(kuò)散段斷面二得設(shè)計(jì)與校核條件下左側(cè)流速分別為12.98 m/s、12.90 m/s，右側(cè)流速分別為12.54 m/s、12.80 m/s，消力池后海漫段局部流速最大可達(dá)7.5～8.0 m/s。

表1 原方案泄洪洞水深（單位：m）

3.2 修改方案

針對(duì)原方案存在的消能段較長(zhǎng)的問(wèn)題，為了減少消能部分的工程量，進(jìn)而降低工程造價(jià)，修改方案一將擴(kuò)散段后半部分改為臺(tái)階式，從斷面二至斷面三之間設(shè)6階臺(tái)階，每一階臺(tái)階寬5 m，高0.5 m，斷面三至斷面四為消力池，池深2.25 m。斷面四后與原設(shè)計(jì)海漫相連，修改方案的布置圖如圖2，測(cè)得部分?jǐn)嗝嫠钊绫?。

表2 修改一方案泄洪洞水深（單位：m）

經(jīng)修改后，水流經(jīng)擴(kuò)散段的臺(tái)階下泄后進(jìn)入消力池，試驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)與校核條件下水流在消力池內(nèi)均可形成完全淹沒(méi)水躍，消力池后水面銜接平順。臺(tái)階上最大流速可達(dá)15.5～16.5 m/s，海漫段局部最大流速達(dá)7.5 m/s。經(jīng)分析，該方案臺(tái)階上流速較大，存在臺(tái)階產(chǎn)生氣蝕破壞的隱患，故將臺(tái)階修改為1:10的陡坡，保留最后一階0.5 m躍坎，其流態(tài)及流速分布并沒(méi)有發(fā)生太大改變，兩者比較而言，均可達(dá)到滿(mǎn)意的消能效果，但臺(tái)階式施工較為復(fù)雜，臺(tái)階鋼筋混凝土標(biāo)號(hào)需提高，建議采用陡坡加消力池形式，具體布置形式見(jiàn)圖3。

圖2 臺(tái)階式加消力池布置圖

圖3 陡坡式加消力池布置圖

4 結(jié)論

試驗(yàn)表明，非常泄洪洞體型尺寸合理，滿(mǎn)足泄洪要求。原設(shè)計(jì)的非常泄洪洞消能部分布設(shè)不盡合理，經(jīng)試驗(yàn)修改優(yōu)化后，消力池長(zhǎng)度大為減小，消能段長(zhǎng)度比原設(shè)計(jì)縮短30 m，修改后體型為臺(tái)階式加消力池與陡坡式加消力池，兩者均能滿(mǎn)足消能要求，推薦施工較為簡(jiǎn)單的后一種形式，可降低工程造價(jià)。