水庫(kù)溢洪道方案比選與試驗(yàn)?zāi)M研究

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

新建水庫(kù)位于河北省海河流域骨干河流上，是一座集工業(yè)供水、防洪、灌溉、發(fā)電等功能于一體的大(2)型水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容1.452億m3，防洪保護(hù)面積380km2，壩后水電站裝機(jī)容量為2×250kW+2×35kW。工程總體布置為：主河床布置混凝土泄洪與連接壩段(含南、北放水洞)，兩側(cè)灘地和低洼地布置壤土均質(zhì)壩；北放水洞壩后接地面廠房，電站尾水池設(shè)工業(yè)、灌溉兩個(gè)出水口。壩軸線總長(zhǎng)約2124m，混凝土泄洪壩段最大壩高39.80m，壤土均質(zhì)壩最大壩高29.65m，壩頂高程為108.6m。

在可研、設(shè)計(jì)階段需要根據(jù)水庫(kù)壩址實(shí)際情況對(duì)溢洪道具體布設(shè)方案進(jìn)行確定，利用設(shè)計(jì)成果建立實(shí)際模型對(duì)成果進(jìn)行論證，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析為溢洪道部分設(shè)計(jì)參數(shù)的修正提供依據(jù)。

1 溢洪道方案比選

根據(jù)選定的該水庫(kù)壩址、壩軸線以及地形地質(zhì)情況，擬定河床式溢洪道和岸邊式溢洪道兩個(gè)方案進(jìn)行比選。

1.1 方案一：河床式溢洪道

河床式溢洪道位于十字河主河槽內(nèi)，溢洪道中線交于大壩設(shè)計(jì)樁號(hào)1+500處。此處主河槽寬118m，主河槽地面高程86.01～86.30m，河水位86.30m，主河槽右側(cè)發(fā)育河漫灘，灘面寬度164m，灘面高程88.60～91.8m。

溢流堰處基巖為薄層夾中厚層狀灰?guī)r，無(wú)斷裂構(gòu)造通過(guò)，主河槽處基巖總體為淺層(地面以下20m，厚度11.5m)中等透水，其巖性為長(zhǎng)山第五層薄層條帶灰?guī)r夾中厚層灰?guī)r灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，局部夾中厚層灰色灰?guī)r，巖芯較完整，巖芯長(zhǎng)5.0～60.0cm，采取率60%～95%；深層基巖為長(zhǎng)山第四層巨厚層灰?guī)r：灰色、灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，巨厚層構(gòu)造，含較多橘黃色泥晶團(tuán)塊，巖芯較完整，局部較破碎，巖芯長(zhǎng)5.0～220.0cm，采取率36%～98%，深層基巖弱透水。溢流堰堰頂高程108.30m，溢洪道采用開(kāi)敞式WES實(shí)用堰(溢流壩段)。堰上設(shè)泄洪閘3孔，單孔凈寬13m，總凈寬39m，溢流壩段總長(zhǎng)49m。采用挑流消能，挑流水舌下游設(shè)兩道壩，形成129m寬、120m長(zhǎng)的水墊塘。

溢洪道與兩側(cè)土壩采用插入式連接：重力壩(非溢流壩段)插入土壩中。插入段分半插入段(每側(cè)長(zhǎng)80m)和全插入段(每側(cè)長(zhǎng)20m)。

1.2 方案二：岸邊式溢洪道

岸邊式溢洪道布置在大壩左壩肩的大灰山的北山坡上，溢洪道中線交于大壩設(shè)計(jì)樁號(hào)0+101.87處。左岸壩肩段勘探樁號(hào)0+000～0+194段為大灰山北坡，地面高程106.30～116.98m。溢洪閘處地基為薄層夾中厚層狀灰?guī)r，總體為弱透水性。溢洪閘采用寬頂堰形式，堰頂高程108.06m。泄洪閘5孔，單孔凈寬10m，總凈寬50m。

溢洪道泄槽起始樁號(hào)為0+000，樁號(hào)范圍0+000～1+000，底寬為56m，縱坡1∶40；斷面形式為梯形，兩岸為鋼筋混凝土護(hù)砌，坡度1∶0.3，底部為鋼筋混凝土護(hù)底，護(hù)坡護(hù)底采用錨筋錨固，錨筋單根長(zhǎng)3m，直徑22mm，錨固間距1.5m，梅花形布置，泄槽內(nèi)設(shè)置5道縱向軟式排水管，每塊底板及護(hù)坡后設(shè)置1道橫向軟式排水管?？v、橫向排水管相互貫通。1+000～1+076段為鋼筋混凝土消力池，池深3.5m，池長(zhǎng)76m，池底高程75.56m，斷面形式為梯形，兩岸為鋼筋混凝土護(hù)砌，坡度1∶0.3。

1.3 溢洪道方案比選

方案比選情況見(jiàn)表1。

表1 溢洪道方案比選

續(xù)表

經(jīng)綜合比選，推薦采用河床式溢洪道方案，考慮南放水洞的輔助泄洪能力[1]，選用堰頂高程108.30m、3孔13m的WES實(shí)用堰方案。

2 河床式溢洪道試驗(yàn)研究

通過(guò)工程規(guī)模、試驗(yàn)場(chǎng)地、供水能力、量測(cè)技術(shù)手段、試驗(yàn)精度等綜合考慮[2-3]，決定采用選用比尺λL=40，由此得出模型有效試驗(yàn)長(zhǎng)度15m，最大試驗(yàn)流量268.6L/s。

試驗(yàn)中有關(guān)觀測(cè)量的比尺為：水深及幾何比尺λL=40；流量比尺λQ=λL2.5=402.5=10119.288；流速比尺λu=λv=λL0.5=400.5=6.324；時(shí)間比尺λt=λL0.5=400.5=6.324；糙率比尺λn=λL1/6=401/L=1.849。

2.1 敞泄情況

2.1.1 庫(kù)水位—泄量關(guān)系規(guī)律

在閘室中軸線上0-0斷面設(shè)測(cè)壓管，用以觀測(cè)庫(kù)水位的變化。敞泄時(shí)分別按0.05%、1%、2%、3.33%、5%等頻率進(jìn)行庫(kù)水位—閘前水位—泄量關(guān)系規(guī)律的試驗(yàn)觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2和圖1、圖2。

表2 敞泄時(shí)庫(kù)水位—閘前水位—泄量關(guān)系

圖1 庫(kù)水位—泄量關(guān)系曲線

圖2 閘前水位—泄量關(guān)系曲線

由表2和圖1、圖2可以看出，各試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)規(guī)律性很好，各個(gè)頻率下水流自溢流壩自由下泄，閘前流態(tài)平穩(wěn)。

2.1.2 水面線觀測(cè)成果

該水庫(kù)大壩、溢洪道、南放水洞、北放水洞設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇；消能防沖建筑物、電站、擋水壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。所以該試驗(yàn)以50年一遇消能防沖設(shè)計(jì)洪水驗(yàn)證挑流消能效果和擋水壩安全及與下游河道銜接；100年一遇和2000年一遇洪水時(shí)，只保證溢流壩安全泄洪，壩后中墩不沒(méi)水，邊墩不溢流。

從放水試驗(yàn)結(jié)果看，敞泄時(shí)三種流量(50年一遇泄量1777.49m3/s,100年一遇泄量1932.83m3/s,2000年一遇泄量2717.53m3/s)的庫(kù)區(qū)水面都非常平穩(wěn)，一直到溢流壩前皆是緩流，說(shuō)明庫(kù)區(qū)中溢流壩兩側(cè)的圓弧坡面裹頭設(shè)置有效合理。入閘水流左右對(duì)稱平順，閘前水面有跌落，進(jìn)閘后瞬時(shí)轉(zhuǎn)為急流，沿泄槽傾瀉而下。2000年一遇下泄流量2717.53m3/s時(shí)，因壩坡陡峭、水大流急，水面些微擺動(dòng)即可使水流在壩后躍上中墩96.71m高程與1∶0.7斜坡連接處，建議此處加高。

由于溢流壩位置和方位選擇合適，庫(kù)區(qū)水流入閘平順，沒(méi)有橫向波出現(xiàn)，水面線觀測(cè)結(jié)果顯示，三孔的中軸線水面線結(jié)果相差甚微，在附圖中水面線中三條線無(wú)法區(qū)分顯示，所以以三孔的水面線平均值表示。

挑流鼻坎的位置、半徑和角度設(shè)計(jì)恰當(dāng)，大小流量均可成功挑出，只是壩后右側(cè)水電站的布置使右孔水舌右側(cè)存在貼壁流現(xiàn)象，造成水舌一定的波動(dòng)起伏。泄量大時(shí)，水舌在出鼻坎時(shí)是分隔的，經(jīng)空氣中擴(kuò)散，從水舌最高點(diǎn)跌落時(shí)三條水舌連接為一體，下游河道水位高時(shí)，右孔水舌下緣進(jìn)氣受到影響，貼壁流和水舌下間或出現(xiàn)的一定的真空，會(huì)使右孔水舌的波動(dòng)加劇。

2.1.3 水流流態(tài)及流速分布規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果顯示，庫(kù)區(qū)水流約在壩前18m斷面處水面開(kāi)始緩降、流速加大；約在壩前4～5m處水面跌落，至壩上，流速陡升。側(cè)收縮和中墩對(duì)進(jìn)閘水流有影響，但流態(tài)尚算平穩(wěn)，對(duì)堰上壩后水流下泄及挑流消能影響不大。圖3為泄量2717.53m3/s時(shí)的閘前水流流態(tài)。

圖3 Q=2717.53m3/s時(shí)的閘前水流流態(tài)

從斷面垂線平均流速分布圖上看，無(wú)論是閘前庫(kù)區(qū)還是壩后鼻坎，流速分布規(guī)律性都很好，流態(tài)左右對(duì)稱，流速分布均勻。挑流鼻坎內(nèi)起挑斷面的流速低于鼻坎末端斷面流速，可能原因是：該斷面流速方向瞬間改變，流速較大，測(cè)量時(shí)在流速儀的放置點(diǎn)位和方向上稍有差別，即可能造成測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差。

試驗(yàn)顯示，閘前庫(kù)區(qū)水流以緩流進(jìn)入閘室，至壩后挑流鼻坎對(duì)稱均勻挑出，與下游河道平穩(wěn)銜接，除消力塘內(nèi)水舌兩側(cè)受水舌和擋水壩影響有部分漩滾回流外，擋水壩下游水流平順下泄，無(wú)不良流態(tài)出現(xiàn)。

2.2 控泄情況

該水庫(kù)樞紐建筑物，除大壩、溢洪道、消能防沖建筑物外，還有南、北放水洞。北放水洞主要任務(wù)是工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)供水、水力發(fā)電等，最大流量為6.01m3/s；南放水洞主要任務(wù)是泄空水庫(kù)，兼顧小流量泄洪需要。所以控泄時(shí)只考慮表3中的情況。

表3 控制泄量運(yùn)用條件

由于控泄時(shí)泄量較大，用《水利計(jì)算手冊(cè)》中的公式計(jì)算，兩孔開(kāi)度到7m時(shí)，仍不能滿足下泄量要求，因此只考慮三孔全部局部開(kāi)啟情況。放水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 控泄閘門(mén)開(kāi)度試驗(yàn)結(jié)果

控泄時(shí)，堰上水頭較高(P=5%時(shí)，堰上水頭7.36m；P=3.33%時(shí)，堰上水頭7.83m)，只要閘門(mén)有開(kāi)啟，水流就沿壩飛流直下，瞬時(shí)經(jīng)挑流鼻坎挑起下泄，無(wú)水流在鼻坎內(nèi)滯留或貼壁流現(xiàn)象出現(xiàn)。水流進(jìn)入消力塘后平順?lè)€(wěn)定，下泄通暢。

控泄時(shí)的庫(kù)水位和下泄量均小于敞泄時(shí)的庫(kù)水位和泄量，有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)確定溢洪道規(guī)模、閘墩和邊墻高度、挑流鼻坎參數(shù)無(wú)太大影響，所以控泄時(shí)不再施測(cè)水面線和垂線流速分布[4]。

弧形門(mén)半徑及安裝高度設(shè)計(jì)合理，使得控泄時(shí)除邊墩檢修閘門(mén)槽附近有微弱的豎向漩滾外，中墩檢修門(mén)槽及其他部位水流流態(tài)比較平穩(wěn)，無(wú)不利水流現(xiàn)象出現(xiàn)(見(jiàn)圖4)。

圖4 控泄時(shí)左孔邊墩檢修門(mén)槽處水流流態(tài)

2.3 消能防沖情況

該水庫(kù)消能防沖建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，庫(kù)水位116.25m，下泄流量1777,49m3/s。試驗(yàn)結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)條件下(挑流消能，單孔連續(xù)等寬式鼻坎，鼻坎反弧最低點(diǎn)高程90.30m，反弧半徑15.00m,鼻坎頂高程91.71m，挑射角25°)，50年一遇泄量能成功挑出，消力塘中水流與下游河道連接順暢，在該水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)一覽表中，控泄的兩種工況和敞泄的三種工況都能成功挑出，只是隨庫(kù)水位和泄量不同，挑距和水舌高度不同而已(見(jiàn)表5)，所有運(yùn)行狀況并無(wú)貼壁流和掏刷現(xiàn)象出現(xiàn)。

表5 挑流的有關(guān)觀測(cè)參數(shù)

2.4 起挑流量

從該水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)可以看出，因?yàn)橛心?、北放水洞?dān)負(fù)工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)用水、水力發(fā)電、小流量泄洪、泄空水庫(kù)等任務(wù)，通過(guò)溢流壩泄放洪水的運(yùn)行情況，控泄時(shí)最小庫(kù)水位115.66m，對(duì)應(yīng)堰上水頭7.36m；敞泄時(shí)最小庫(kù)水位116.25m，對(duì)應(yīng)堰上水頭7.95m。鼻坎反弧最低點(diǎn)高程90.30m，根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第六冊(cè)中挑流消能起挑流量的計(jì)算公式，計(jì)算的結(jié)果為，控泄時(shí)最小庫(kù)水位起挑流量1.56m3/s，敞泄時(shí)最小庫(kù)水位起挑流量1.54m3/s，如此小的流量超出了矩形量水堰的有效測(cè)量下限，無(wú)法測(cè)量。放水試驗(yàn)結(jié)果也顯示，無(wú)論是控泄還是敞泄，在閘門(mén)開(kāi)啟瞬間和放水瞬間，水流奔瀉而下，瞬時(shí)挑起，無(wú)貼壁流和掏刷現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)該水庫(kù)溢洪道進(jìn)行方案比選最終選定河床式溢洪道，利用重力相似準(zhǔn)則對(duì)溢洪道進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，對(duì)泄流能力和消能防沖試驗(yàn)觀測(cè)，結(jié)論如下：

a.敞泄情況下，各試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)規(guī)律性很好，各個(gè)頻率下水流自溢流壩自由下泄，閘前流態(tài)平穩(wěn)；在2000年一遇下泄流量2717.53m3/s時(shí)，因壩坡陡峭、水大流急，水面些微擺動(dòng)即可使水流在壩后躍上中墩96.71m高程與1∶0.7斜坡連接處，建議此處加高；擋水壩下游水流平順下泄，無(wú)不良流態(tài)出現(xiàn)。

b.控泄情況下水流流態(tài)穩(wěn)定，泄流效果較好。

c.放水試驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論是控泄還是敞泄，在閘門(mén)開(kāi)啟瞬間和放水瞬間，水流奔瀉而下，瞬時(shí)挑起，只是隨庫(kù)水位和泄量不同，挑距和水舌高度不同而已，無(wú)貼壁流和掏刷現(xiàn)象出現(xiàn)。