東谷水庫溢洪道水毀后加固修復(fù)型式研究及優(yōu)化設(shè)計*

胡國平 劉 智 周清勇

(江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

1 概 述

1.1 工程概況

東谷水庫壩址控制流域面積345km2，正常蓄水位(設(shè)計洪水位)為148.00m，總庫容1.214億m3(其中防洪庫容530萬m3)。設(shè)計灌溉農(nóng)田38.2萬畝，電站設(shè)計裝機(jī)2×8MW(多年平均發(fā)電量4331萬kW·h)，是一座以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪及其他綜合利用的大(2)型水利工程。

工程于2008年5月開工建設(shè)，2009年7月基本建成并蓄水運(yùn)行。樞紐工程主要由黏土心墻壩(壩頂高程149.80m，最大壩高67.8m)、左岸溢洪道(位于左壩端天然埡口，采用WES實用堰，堰頂高程為137.00m，控制段為兩孔凈寬為11.50m的泄流表孔，采用兩扇11.50m×11.50m的弧形閘門控制)、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。

泄槽底坡為1∶5的陡坡，梯形斷面，底板為60cm厚C25鋼筋混凝土，側(cè)墻為50cm厚C20鋼筋混凝土，底板與側(cè)墻為分離式結(jié)構(gòu)。陡坡段末端接消力池，采用底流消能，出堰水流進(jìn)陡坡洼地消力池內(nèi)消能，后經(jīng)31m長護(hù)坦入下游河道。消力池深5.0m，長35m，最大寬度30m，底板厚1.5m，兩邊為0.5m厚的貼坡式混凝土側(cè)墻。

主要施工調(diào)整：消力池底板厚度調(diào)整為600mm，底層鋼筋取消，結(jié)構(gòu)筋均為φ12鋼筋，間距由20cm調(diào)為25cm，取消邊墻基礎(chǔ)與底板銜接處伸縮縫，錨筋間距由2000mm×2000mm調(diào)整為4000mm×4000mm，入巖深度由3500mm調(diào)整為2000mm；護(hù)坦底板、斜墻均改為素混凝土結(jié)構(gòu)，厚度調(diào)整為300mm。

1.2 水毀原因及分析

2014年5月24日22時—25日8時，受我國南方多地連續(xù)強(qiáng)降雨影響，該水庫上游庫區(qū)流域平均降雨121.3mm；25日凌晨，庫區(qū)水位超警戒或防洪高水位(147.00m)0.7m，入庫流量達(dá)128.12m3/s，出庫流量201.73m3/s，運(yùn)行管理單位開閘泄洪；在下泄流量逐漸增大的過程中，因溢洪道泄槽尾部為全風(fēng)化基巖，隨著該部位混凝土底板及其下部基巖相繼被高速水流沖毀與淘空，泄槽底板混凝土剝離及基巖淘刷區(qū)迅速向上、下游擴(kuò)展，并在泄槽基礎(chǔ)中下部形成1～3號沖坑，其中2號坑最大，沖坑深度為15m；3號坑最大沖坑深度估計超過20m，兩側(cè)岸坡局部坍塌，已嚴(yán)重威脅工程蓄水安全(見圖1)。

圖1 溢洪道損毀現(xiàn)狀險情平面

失事調(diào)查表明，溢洪道泄槽水毀主要是由不良地基條件與泄槽板塊在高速水流作用下現(xiàn)有貫穿性裂縫、孔洞快速擴(kuò)展，伸縮縫止水遭受破壞，脈動壓力水快速進(jìn)入底面縫隙層產(chǎn)生強(qiáng)大的脈動上舉力所致[1]。

2 臺階式溢洪道消能原理

2.1 原理及優(yōu)點

一般溢洪道消能主要采用以下三種方式：水流從挑流鼻坎挑入水墊塘；溢洪道末端按設(shè)計建造消力池，形成水躍消掉大部分能量；溢洪道泄槽底板設(shè)置臺階，水流流過粗糙的或有臺階的泄槽消去大部分能量。由于泄槽面臺階存在，槽面的“表面糙率”增加，造成下泄中能量耗散，這就是臺階式溢洪道主要機(jī)理。臺階式溢洪道可明顯地提高消能率，極大減少下游消力池的規(guī)模及費(fèi)用。

臺階上的水流流態(tài)可分三種形態(tài)[2]：表層水流、過渡水流和舌形水流。表層水流形態(tài)中沿臺階表面向下表現(xiàn)為黏滯流并有臺階間的洄流作為水墊。臺階隅角和主流之間產(chǎn)生洄流旋渦。舌形水流形態(tài)中可分成許多小的自由跌落，多數(shù)情況下，水流從每個臺階跌落到下一個臺階上，隨之產(chǎn)生完全或部分發(fā)育的水躍。介于兩者流態(tài)之間的為過渡水流。

較傳統(tǒng)溢洪道消能方式，臺階式具有幾大優(yōu)勢：?消能率高：坡度及單寬流量等同下，臺階式消能率比光面式高很多，據(jù)測算相同泄量下與常規(guī)光面式相比消能率可提高40%～70%[3]；?節(jié)省投資：臺階消能與消力池消能存在相輔關(guān)系，泄槽采用臺階式可節(jié)約10%～30%消力池規(guī)模，節(jié)省5%～10%工程投資；?施工進(jìn)度快、工期短；?不易發(fā)生空蝕。臺階式泄槽水流具有較大阻力，可明顯降低水流速，故發(fā)生空蝕破壞可能性小。

2.2 消能率計算

通常情況下，臺階式溢洪道的糙率n計算式為[4]：

n=Δ1/6(7.99×9.80.5)

式中Δ——絕對粗糙高度，取Δ=tcosθ；

t——臺階高度。

式中E1、E2——上、下游斷面總能量；

H——下游斷面到溢流堰堰頂?shù)拇怪本嚯x；

H0——庫水位到堰頂?shù)拇怪本嚯x；

hp——下游斷面垂直壩面的水深；

θ——溢洪道坡度；

v——下游斷面流速。

相對消能率：

式中E0、E1、E2——來流斷面總能量、臺階式溢洪道斷面和對應(yīng)光滑溢洪道對應(yīng)該位置斷面的能量，E0、E1由實測值計算所得，E2則由連續(xù)方程和能量守恒計算得到。

純臺階消能率：

ΔZi=Z-Zi；ΔZgi=Z′-Zgi；

式中Z——臺階溢洪道進(jìn)口處總水頭；

Z′——光滑溢洪道對應(yīng)進(jìn)口處總水頭；

Zi——計算斷面處總水頭；

Zgi——光滑溢洪道對應(yīng)計算斷面處總水頭。

3 加固修復(fù)設(shè)計

3.1 地質(zhì)概況

受損泄槽底板混凝土大部分破損，已被水完全沖走，基巖裸露，其中0+000～0+108段為泥盆系(D2t3)灰黃-灰綠色絹云母石英片巖、片狀砂巖夾石英砂巖及薄層鐵錳質(zhì)條帶，其中鐵錳質(zhì)夾層松散，厚度一般0.2～0.3m，最厚可見約0.8～1.0m，經(jīng)過水流沖刷后巖石以弱風(fēng)化為主，較堅硬，局部有少量強(qiáng)風(fēng)化殘留；樁號0+108～0+120段為泥盆系(D2t4)灰黃-灰綠色絹云母石英片夾石英巖、薄層鐵錳質(zhì)及鈣質(zhì)條帶，鐵錳質(zhì)夾層松散，厚度一般為0.3～0.8m，底板巖石以弱風(fēng)化為主，較堅硬，但靠左側(cè)坡腳底板處仍為強(qiáng)風(fēng)化巖體，強(qiáng)度較低，厚約3～4m；樁號0+120～0+160段為3號沖坑，在搶險時已進(jìn)行塊石拋填整平，表部采用2m×1.5m×1m規(guī)格鋼筋籠進(jìn)行平鋪搭設(shè)焊接形成整體回填。樁號0+160段(包括消力池)底板均被碎、塊石淤積掩埋，淤積厚約1～8m不等。

樁號0+107～0+160段的兩側(cè)邊坡坍滑，由泄洪水流沖刷形成高約15m的近自立的陡坡，部分倒懸，邊坡巖性為黃褐色絹云母石英片巖、片狀砂巖夾多條薄層鐵錳質(zhì)條帶，全-強(qiáng)風(fēng)化狀，巖體破碎，在邊坡的外圍已出現(xiàn)不同程度的拉裂縫，穩(wěn)定性差。

3.2 加固設(shè)計

方案為“臺階式泄槽，加深加長消力池”的修復(fù)方案，閘室岀口附近泄槽底板增設(shè)通氣槽。具體為：泄槽上游段底坡為1∶4，底板設(shè)置連續(xù)臺階，從首部至3號沖坑前部(Y0+018.0～Y0+123.6)設(shè)置高0.6m、寬2.4m的臺階共44級。3號沖坑之后至消力池之間底坡為1∶2.5，設(shè)置連續(xù)臺階，臺階高0.8m，寬2.0m，共11級，臺階段與上下游底板之間采用圓弧過渡。底板與側(cè)墻采用整體式結(jié)構(gòu)，底板下部設(shè)抗浮φ25錨筋。3號沖坑以上泄槽段兩側(cè)邊坡采用掛φ8鋼筋網(wǎng)噴混凝土護(hù)坡。3號沖坑塌方滑坡體挖除，進(jìn)行削坡處理，采用C15埋石混凝土重力式擋土墻進(jìn)行防護(hù)。

原消力池全部拆除重建，底寬25.0m，池深7.0m，池長59.0m，池內(nèi)設(shè)消力墩，消力墩布置及結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)模型試驗比選，在樁號Y0+206.50處布置一排梯形消力墩，共4個，消力墩高4.0m，寬3.0m，頂寬0.8m(見圖2)。底板采用抗沖耐磨HF C30混凝土，厚1.2m，下部設(shè)置φ25抗浮錨筋。兩邊為貼坡式C30混凝土側(cè)墻。

圖2 臺階式修復(fù)方案縱剖面

4 模型試驗成果及分析

加固之前已對溢洪道單體進(jìn)行了水工模型試驗，模型試驗主要對已定的堰型進(jìn)行過流能力復(fù)核，對泄槽及消力池布置方案進(jìn)行消能防沖試驗，驗證消能效果，并補(bǔ)充必要的輔助消能設(shè)施，優(yōu)化泄槽及消能工結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4.1 流態(tài)

為改善閘室出口水翅現(xiàn)象，將閘室出口后泄槽連接段的斜坡翼墻改為扭面，使控制閘兩側(cè)邊墩與泄槽側(cè)墻平順連接(見圖3)。未設(shè)扭面前，閘室出口出現(xiàn)明顯水翅且高于邊墻，改為扭面后觀測發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)邊墻幾乎未出現(xiàn)此現(xiàn)象(見圖4)。

圖3 扭面?zhèn)让?/p>

圖4 閘室出口流態(tài)(P=1%；Q=1360m3/s)

因地形受限，泄槽坡度較緩，臺階尺寸不盡理想，大流量下臺階的消能率較低。在第四級臺階處設(shè)置摻氣槽后，試驗發(fā)現(xiàn)臺階上水流摻氣非常明顯，并在臺階內(nèi)側(cè)形成穩(wěn)定漩渦，臺階的消能作用得到充分發(fā)揮(見圖5和圖6)。試驗表明摻氣槽能影響下游整個泄槽內(nèi)水流摻氣效果。

圖5 摻氣槽平面

圖6 通氣孔結(jié)構(gòu)(單位：mm)

消力池內(nèi)設(shè)置消力墩后，小流量下流態(tài)影響甚微，隨著流量增加，消力墩對流態(tài)的影響加大。未設(shè)前池內(nèi)為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，設(shè)后池內(nèi)水躍為淹沒式水躍，并在墩附近出現(xiàn)二次水躍現(xiàn)象(見圖7和圖8)。

圖7 泄槽內(nèi)流態(tài)(Q=250m3/s)

圖8 設(shè)消力墩時消力池流態(tài)(P=0.05%)

4.2 消能率

表1為不同下泄流量條件下優(yōu)化前后總消能率，除下泄流量為971m3/s(消能工況)時總消能率基本不變外，其他下泄流量下的總消能率都升高了13%以上。

表1 優(yōu)化前后總消能率

4.3 下游沖刷

沖刷主要發(fā)生在接出水渠出口的河道段，水流直沖河道右岸。下泄流量為971m3/s時，由于下游河道最大流速達(dá)7.77m/s，遠(yuǎn)大于抗沖流速，最大沖坑深度已超10m。渠口河道沖刷嚴(yán)重，沖刷范圍為下游80m，沖起的散粒體淤積在下游河道，淤積高度達(dá)8m，嚴(yán)重阻礙河道行洪，主流偏離河道而轉(zhuǎn)向右岸農(nóng)田(見圖9和圖10)。目前渠口河道部分已進(jìn)行襯護(hù)，但出水渠口與河道交叉部分仍裸露未襯護(hù)，建議對裸露部分進(jìn)行襯護(hù)。

圖9 下游河道沖刷形態(tài)(Q=971m3/s)

圖10 下游河道沖刷地形(Q=971m3/s)

5 結(jié) 語

根據(jù)工程水毀后現(xiàn)場實際情況提出了臺階式泄槽及消力池內(nèi)增設(shè)消力墩等消能修復(fù)方案，并根據(jù)模型試驗，測定各工況的水面線、各部位壓強(qiáng)、流態(tài)、流速分布及下游河床沖刷情況，驗證其泄洪能力及消能效果并反饋優(yōu)化消能布置。

試驗結(jié)果表明水流流態(tài)改善明顯，消能效果較好，修復(fù)加固后水庫溢洪道消能滿足要求。