魁龍水庫泄洪建筑物布置設計及水力特性試驗研究

李 卿

（遵義市水利水電勘測設計研究院有限責任公司,貴州 遵義 563000）

1 工程概述

魁龍水庫工程位于貴州省余慶縣小腮鎮(zhèn)魁龍村境內,地處余慶河左岸一級支流魁龍河下游,其工程任務為余慶縣城城市供水和白泥工業(yè)園區(qū)供水,年供水量為1170 萬m3/a。水庫正常蓄水位630.00 m,總庫容1152 萬m3,屬Ⅲ等中型水庫。樞紐工程由砼面板堆石壩、泄洪系統(tǒng)、引水系統(tǒng)等組成,大壩高為58.50 m,壩頂高程633.50 m。大壩、泄水建筑物設計洪水標準為50 年一遇,校核洪水標準為1000 年一遇,消能防沖洪水標準為30 年一遇,最大下泄流量為135 m3/s（P=0.1%）。

壩址所處河道蛇曲呈不規(guī)則的“幾”字型,壩址為不對稱的寬“V”形橫向河谷,左右岸基巖多裸露,河床多被第四系殘坡積、沖洪積物覆蓋,層厚約4m,巖層產狀N40°～45°W/NE ∠8°～10°,傾下游微偏左岸,壩基巖性全為礫巖,巖層穩(wěn)定,構造裂隙發(fā)育頻率較低,但切割較深遠,巖體風化帶較厚,兩岸卸荷帶寬度不大,岸坡穩(wěn)定性好。

2 泄洪方案選擇

由于水庫庫區(qū)正常蓄水位以上5 m 范圍內基本無房屋、專項設施和較大規(guī)模的耕地等控制性實物分布,加之水庫下游也無重要防護對象,結合地形地質條件和樞紐布置,為節(jié)省工程投資、便于工程管理,經過多組方案比較分析后確定水庫的泄洪方案為右岸泄洪洞（自由泄流）方案。經調洪演算,溢流凈寬確定為18 m。結合水庫規(guī)模、地形地質條件和水文基本資料,為了盡量減少壩體填筑量,并重點考慮趾板線盡可能布置在壩基巖性均勻、避開不利結構面,布置上盡量順直等以減少開挖及處理工作量等,對水庫泄洪建筑物選擇右岸“泄洪（無壓）洞”和“豎井旋流泄洪洞”兩種方案進行同精度綜合比較。

2.1 泄洪（無壓）洞方案

該方案將泄洪洞進口布置上游一號沖溝內、出口布置在三號沖溝出口處,隧洞軸線距大壩右壩肩155 m,進口采用側槽開敞式溢流堰、中間采用無壓隧洞泄洪、出口采用陡槽+底流消能方式,進口側槽軸線方位為NE82.00°,隧洞、陡槽及消力池段中心線方位為SE87.00°。泄洪建筑物包括進口引水渠段、溢流堰、側槽段、調整段、隧洞段和出口陡槽段及消力池段,總長277.30 m。該方案中導流隧洞軸線呈直線型,軸線長181 m,隧洞底坡2.5/100,進口底板高程取584.00 m、出口底板高程取580.00 m,隧洞斷面按導流時為無壓隧洞,度汛時為有壓隧洞的工況設計；隧洞洞身長163 m,凈高3.72 m、底寬2.5 m,側墻高3.0 m、頂拱半徑1.443 m,洞身采用0.4 m 厚鋼筋混凝土全斷面襯砌。具體布置見圖1。

圖1 泄洪（無壓）洞方案樞紐布置

2.2 豎井旋流泄洪洞方案

因河道呈不規(guī)則“幾”字型,該方案主要考慮泄洪控制進口的進水方向、引水道的長度、豎井與引水道的結合及豎井周邊巖體厚度、導流洞改建為泄洪洞與豎井的連接、泄洪洞出口消能及水力條件等因素。因豎井旋流泄洪洞的施工與引水隧洞、面板堆石壩、導流洞等建筑物的施工密切相關,在滿足總體施工布置的基礎上該方案應力求與相關建筑物施工干擾小、臨時工程量小、后期運行管理方便、可靠等。經布置,豎井旋流泄洪洞方案主要由開敞式自由溢流進口、明渠引水道、渦室、豎井、退水洞、消力池等組成,總長214.60 m,最大水頭49.44 m。該方案中導流隧洞軸線亦呈直線型,軸線（含進出口引渠）長180 m,其中洞身長166 m,軸線方向S79.11°E；隧洞進口底板高程為584.00 m,出口底板為580.18 m,出口后接泄洪消力池；隧洞斷面按泄洪時為無壓隧洞工況設計,并按全斷面鋼筋混凝土襯砌設計,隧洞的斷面型式采用頂拱夾角為120°角的城門洞型。隧洞底寬4.5 m、凈高5.80 m。具體布置見圖2。

圖2 豎井旋流泄洪洞方案樞紐布置

上述兩個方案擋水及引水建筑物相同,溢流控制段堰型及寬度也相同,針對泄洪建筑物及導流洞等臨時工程方面進行投資比較。具體見表1。

表1 泄洪方案特性比較表

由于壩址及右岸地質條件單一,兩個方案不存在較大的工程地質條件差別,方案均可行；從施工布置看,兩個方案擋水、引水建筑物和施工導流布置方案基本相同,泄洪（無壓）洞方案各建筑物相對獨立,施工干擾小,但溢洪道進口遠離大壩,施工條件相對較差,而豎井旋流泄洪洞方案可充分利用導流洞（洞身斷面較前方案大）、布置較緊湊,但存在一定程度的施工干擾、其豎井開挖需與導流洞同期實施完成；由表1 可知,豎井旋流泄洪洞方案比泄洪（無壓）洞方案投資少145.5 萬元。故推薦方案2。

豎井旋流泄洪洞具有消能效果好、結構布置靈活、抗空化能力強、工程造價低等優(yōu)點,適合高山峽谷地帶、高壩泄洪等工程。其主要原理是利用旋轉水流的離心力,形成空腔、增大洞壁壓力和水力摩阻,延長流程,達到防止空蝕和消能的目的。國內外多年來在多個工程中運用,具有一定工程經驗,如沙牌水電站（最大流量240 m3/s,水頭88.0 m）、公伯峽水電站（最大流量1060 m3/s,水頭104.0 m）、九龍河溪古水電站（最大流量491.5 m3/s,水頭99.2 m）等。

3 豎井旋流泄洪洞結構設計

豎井旋流泄洪洞在現(xiàn)行設計規(guī)程規(guī)范中未形成完善的理論體系,目前國內已建工程主要依靠模型試驗指導,本方案的設計重在總結前人的基礎上,參閱大量類似工程論文及設計資料、觀摩類似工程模型試驗成果,在半理論半經驗設計過程中結合水工模型試驗不斷優(yōu)化完成；該泄洪建筑物的布置設計主要在于上平段和豎井段,具體布置見圖3。

圖3 豎井結構圖（高程單位：m）

進口段為開敞式自由溢流,進水方位N84.38°W,采用側槽WES 實用堰,溢流控制凈寬18.0 m,堰頂高程630.00 m,堰頂上游側采用雙圓弧曲線（R1=1.0 m,R2=0.4 m）,下游采用WES 曲線y=0.277x1.85。堰前引渠長6.0 m,寬18.00 m,底坡i=10%。側槽首端寬度3.0 m,末端寬度6.0 m,底板高程625.46 m～623.66 m,設計底坡i=0.1,內側邊墻鉛直,墻頂高程634.60 m。

引水道因處于山體臨近水庫一側的斜坡地帶,上部山體較薄弱,考慮到施工場地布置和結構施工方便,將引水道設為明渠形式,為豎井旋流提供必要的初始流速及水深；其右邊墻從樁號“溢0+028.00 m”處開始收縮,左側邊墻從樁號“溢0+018.00 m”處開始收縮,至渦室入水處將上平段的寬度由6 m 收縮為2.5 m,以保證水流進入渦室后能夠正常起旋。引水道軸線方位N17.89°E,長30.76 m（溢0+018.00～溢0+048.76）,含調整段10.0 m 和收縮段20.76 m,其中調整段寬6.0 m～5.05 m,深9.84 m,底坡i=0,底板高程623.66 m；收縮段寬5.05 m～2.5 m,深13.94 m～9.84 m,設計底坡i=0.2,底板高程623.66 m～619.51 m,引水道上游側因臨近水庫,墻頂高程均與大壩防浪墻頂高程633.50 m 等高。

渦室段是使引水道水流形成穩(wěn)定旋轉流的必要措施,渦室和豎井要保持過流通暢,必須使渦室和豎井內的漩渦空腔保持通暢,否則可能導致渦室嗆水。大量的研究表明,渦室內水流能順利起旋,其合理直徑是豎井直徑的1.3～1.7 倍,擬定直徑=7.0 m 的圓體結構和渦室與引水道連接段組成,連接段左側采用直線使引水道左邊墻正好與渦室左邊相切。蝸室段總高19 m。

豎井作為旋流消能的主要設施,根據其基本原理,為充分發(fā)揮其作用,在豎井與渦室之間需設置連接漸變段,較長的漸變段可使渦室旋流下降進入豎井過程中保持或增大水流對周壁的壓力；豎井底部為防止水流直接沖擊底板,井底應低于退水洞底板高程,保持一定的水墊層。根據多項試驗經驗和工程實踐表明,旋流豎井直徑一般由下式估算：

式中：Q 為最大流量根據整體模型中超泄能力試驗結果,校核水位時泄流量約為Q=135 m3/s；g 為重力加速度,m2/s；k為參變量,k=Fr0.05=1.061,其中Fr 為渦室進口前行近水流佛汝德數。

考慮留有一定裕度,取豎井直徑D=5.0 m。

經優(yōu)化布置,豎井總深41.75 m,包括與渦室連接漸變段、豎井中段、與退水洞（導流洞）連接段以及底部消力井；豎井與導流洞連接段上游側設砼堵頭封堵,下游側洞頂設長度為22.5 m 的壓板,壓板坡度為1∶15,壓坡末斷面洞高2.0 m。

退水洞利用導流洞改造形成,豎井中心線（溢0+052.00）位于導流洞“樁號0+036.60”處,洞寬4.5 m,直墻高4.5 m,頂拱中心角120°,設計底坡i=2.3%,出口底板高程580.18 m。

消力池設于退水洞末端,采用底流消能形式,消力池長18.0 m,寬4.5 m～6.5 m,末端設消力坎,坎頂高程578.50 m,消力池深1.0 m,末端下游左側設導墻將下泄洪水排入下游河道。

4 水工模型試驗成果

為驗證該泄洪建筑物體型布置及設計的合理性,對其進行了水工模型試驗,對P=0.1%、P=2%、P=0.2%、P=3.33%、P=5%、P=10%、P=20%七種工況的泄洪能力進行了復核,對下泄水流流態(tài)進行了觀察,測量了泄洪洞沿程的壓力、水面線等,試驗結果表明：

（1）采用旋流豎井可以滿足泄洪消能要求；在校核水位時,泄流量約為142 m3/s,滿足設計要求；各工況下水流經上平段調整,均能平順進入渦室起旋。

（2）水流從實用堰下泄至溢洪道,水流向兩側壅高,因此上平段開始水深呈中間低,兩側高的狀態(tài),但經隨后的收縮段及陡槽段的調整后,水深逐漸平緩,水流平順進入渦室后順利起旋；水流在渦室內順利起旋后,始終貼著渦室壁面以及豎井壁面流動。

（3）在豎井最下部,水流仍具有比較明顯的旋轉流動,產生的離心力使水流貼壁,壁面的壓力為正,避免了豎井壁面的空化空蝕破壞。

（4）水流進入水墊時仍存在切向流速,水墊內的水體在此渦量的作用下也旋轉起來,現(xiàn)場試驗證實,此流動形態(tài)有利于清除掉入水墊內的較小的雜物（泥沙、碎石等）。

（5）水流經過較長壓坡段的調整,流出有壓段進入下平段后,水面比較平順,無不良流態(tài)出現(xiàn),不出現(xiàn)突然竄起較高的現(xiàn)象。

（6）隨著泄流量的減小,豎井旋流泄洪洞沿程水深逐漸減小,洞頂余幅也相應增大,因此泄洪洞的運行更為安全。

（7）對下平段壓坡結束后斷面進行了流速測量,最大流速為校核工況為14.79 m/s,其余均小于13 m/s,泄洪洞沒有空蝕危險。

（8）脈動壓力測量結果表明,渦室段、收縮段、豎井段的脈動壓力均不大,雖然存在低頻脈動,考慮到整個豎井埋在山體里,不是輕型結構,因此不會發(fā)生共振問題,無需進行特殊處理；消力井出口處的壓坡段因水流紊動強烈,脈動壓力較大,在結構設計時需做加強處理。

5 結語

選擇技術可行、經濟合理的泄洪、消能建筑物,對加快山區(qū)河流開發(fā)有著積極意義,通過模型試驗,驗證了魁龍水庫泄洪建筑物設計的合理性和可行性,各工況條件下溢流堰均能滿足泄流需求,泄洪洞出口與下游河道銜接良好,泄洪建筑物結構體型具有較好的泄流、消能和防沖效果,工程的實施可為類似不設閘旋流泄洪洞的規(guī)劃設計提供參考。