三峽水庫開縣調節(jié)壩工程泄水閘下游消能工設計優(yōu)化

陳朝旭 陳振華 高大水 葉俊榮

(長江勘測規(guī)劃設計研究院，湖北 武漢 430010)

三峽水庫開縣消落區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理調節(jié)壩工程位于重慶開縣的三峽庫區(qū)內，主要任務是減少三峽庫尾消落區(qū)的面積，降低消落區(qū)的水位變幅，改善開縣新城區(qū)及其周邊的生態(tài)環(huán)境，為建立新的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)和良好的人居環(huán)境創(chuàng)造條件。調節(jié)壩工程壩址控制流域面積3198.6 km2，主體工程為閘壩，閘壩從左至右分別為:非溢流壩、溢流壩、泄水閘、土石壩，攔河閘壩軸線總長507 m。泄水閘最大過閘流量為8438 m3/s，共10孔，單孔凈寬10m，閘室總寬度153 m。閘孔為寬頂堰型，消能防沖按(P=3.33%)5730m3/s設計。泄水閘基礎為厚度36 m的砂卵石河床。

由于調節(jié)壩工程壩址控制流域面積大，要求調節(jié)壩工程泄水閘具有較強的泄流能力，加上工程投資受到一定限制，泄水閘布置必須采取較大的單寬泄流量，最大達84 m3/s。我國目前在砂卵石河床上已建的最大單寬泄流量泄水閘工程為王甫洲水利樞紐工程，23孔泄水閘，最大下泄流量為20800m3/s，單寬最大流量為63 m3/s［1］;其次是西霞院反調節(jié)水庫工程，21孔泄水閘，最大下泄流量為13763 m3/s，單寬最大流量為 60m3/s［2］。而本調節(jié)壩工程10孔泄水閘最大單寬流量達84 m3/s，且泄水閘運行情況復雜，使得泄水閘下游消能防沖設計具有較大難度。

為了保證調節(jié)壩工程泄水閘的安全和下游消能工的可靠性，工程設計中多種消能措施并用，并通過循序漸進優(yōu)化設計和模型試驗論證，使得調節(jié)壩工程泄水閘消能防沖達到良好效果。

1 初步水力學計算及模型試驗分析

1.1 水力學計算分析及初步方案擬定

根據(jù)開縣調節(jié)壩泄水閘總體布置及《水閘設計規(guī)范》(SL265－2001)，對泄水閘消能防沖進行計算分析，計算簡圖見圖1，消力池深度計算采用底流消能，躍后水深近似平面不擴散考慮，計算方法見公式(1)～(4)。

式中d為消力池深度，m;σ0為水躍淹沒系數(shù)，可采用1.05 ～1.10;h″c為躍后水深，m;hc為收縮水深，m;α為水流動能校正系數(shù)，可采用1.0～1.05;q為過閘單寬流量，m2/s;b1為消力池首端寬度，m，取100m;b2為消力池末端寬度，m，取145 m;T0為由消力池底板頂面算起的總勢能，m;Δz為出池落差，m;h＇s為出池河床水深，m，下游水深考慮下游水位上升滯后情況，采用前一開度泄量對應下游水深;φ為流速系數(shù)。

圖1 消力池水力學計算簡圖

計算成果顯示:在水閘控泄小開度情況下，需要消力池池深2.62 m，池長51.47 m，海漫長65.72 m;在30a一遇洪水設計工況下，需要消力池池深1.60m，池長56.5 m，海漫長81.57 m。

根據(jù)國內外經(jīng)驗，消力池的形式有:挖深式消力池、消力坎式消力池、綜合式消力池。根據(jù)開縣調節(jié)壩泄水閘總體布置及計算分析，初步擬定采用綜合式消力池方案，消力池池長60m，池深2.5 m，尾坎坡比1∶2，高0.50m，后接 80m 長水平海漫和27.5 m長的防沖槽。

1.2 模型試驗分析

調節(jié)壩泄水閘上下游水位條件變化情況十分復雜:一是泄水閘下游水位隨三峽庫水位變化而變化;二是泄水閘泄洪初期上下游水位落差較大。消力池深度和長度需要和上下游不同水位相匹配。為了更好論證泄水閘消能設施和下游消能防沖情況，對泄水閘進行1∶100整體水力學模型試驗［3］。模型根據(jù)重力相似準則，采用級配砂模擬級配砂卵石，采用白麻石模擬防沖槽內拋塊石，模型動床模擬了海漫下游200m范圍內河床。根據(jù)模型試驗得出如下結論:

(1) 佛汝德數(shù)小于4.5，消力池消能效果差［4］。

(2)收縮水深較小，消力池底板抗浮措施工程量較大，且閘墩部位水流擴散不理想。

(3)消力池尾坎后水流銜接有跌水現(xiàn)象，出池尾坎處水流流速較高，在30a一遇設計情況下最高達7.2 m/s，且海漫上形成波狀水躍，對下游海漫防沖要求較高，工程量較大［5］。

(4)海漫末端水流流速達4.8/s，并且沖坑較深，不滿足下游河床抗沖要求。

2 消能措施優(yōu)化與調整

為了進一步提高調節(jié)壩泄水閘下游消能防沖效果，根據(jù)消能防沖計算和初步擬定方案的模型試驗成果及對國內外類似工程資料的研究，決定在不影響泄水閘泄洪能力的條件下，采取多種措施對泄水閘消能工進行優(yōu)化。

(1)在消力池前端增加一排趾墩［6］，以增大收縮水深，減少消力池底板抗浮措施工程量，同時趾墩在閘墩部位呈喇叭狀，以使該處水流盡快擴散。根據(jù)文獻［6］，趾墩尺寸確定為:順水流向長8 m，墩寬度由2 m 漸變?yōu)?.5 m，頂高程為156.5 m，以1∶6.44坡和上游連接，布置間隔為4 m。模型試驗結果顯示:增加趾墩以后，消力池消能效果有所提高，各種水位條件下水躍均發(fā)生在消力池內，最遠水躍尾部在0+55.6 m處，但坎后水流跌落現(xiàn)象仍然存在，水流出池流速減小為6.3 m/s，海漫上仍有波狀水躍，海漫末端水流流速減小為4.4 m/s，消能效果有所改善，但仍不滿足下游河床抗沖要求。

(2)為了解決消力池坎后水流跌落和海漫上波狀水躍問題，經(jīng)研究，在上述措施基礎上，將消力池尾坎調整為差動式。根據(jù)文獻［6］，差動式尾坎采用形式為:尾坎垂直坎高3.5 m，和原1∶2尾坎每隔2.5 m交錯布置，高坎頂順水流向2 m寬，再以1∶3坡和下游連接。模型試驗結果顯示:改為差動式尾坎后，在各種水位條件下，水躍均發(fā)生在消力池內，水流出池流速減小為5.1 m/s，消力池尾坎后水流二次跌落基本消失，海漫上沒有了波狀水躍。但海漫末端水流流速還是偏大，對下游存在沖刷。

(3)經(jīng)過研究和分析，為了減小海漫末端水流流速，須加強水流出池后擴散。為此提出了一項優(yōu)化措施，即將海漫后60m改為1∶10向下游斜坡式，增加水流垂直擴散。其模型試驗成果顯示:海漫末端流速減小為3.9 m/s，說明改為斜坡式有利于水流擴散。但是海漫兩側水流流速增大，兩側水流有向中間擠壓的趨勢。

(4)為調整海漫兩側水流和進一步減小海漫末端流速，把海漫后60m1∶10的斜坡調整為1∶20的斜坡，以進一步加大擴散范圍;同時在海漫上增加加糙墩，增強海漫段的消能作用。加糙墩為八角形，高0.3 m，寬0.8 m，間距1.2 m。采用梅花形布置，共布置18排。優(yōu)化調整后泄水閘消力池和海漫結構圖及模型試驗測試的流速分布分別見圖2和圖3。調整后的模型試驗結果顯示:海漫兩側水流連接較好，并且海漫末端底部流速減小為3.3 m/s，消能效果良好，下游河床不會發(fā)生沖刷破壞。

3 消能工結構設計

3.1 消力池

消力池采用綜合式消力池，池深2.5 m，池長60m。上游設置趾墩，趾墩長8 m，寬由2 m漸變?yōu)?.5 m，頂高程為156.5 m，以1∶6.44坡和上游連接，布置間隔為4m。消力池尾坎采用差動式，高程157.5 m和156.5 m交錯布置，高坎頂順水流向2 m寬，再以1∶3坡和下游連接。消力池上游底板厚度為6.7 m，以滿足收縮水深部位抗浮要求，消力池下游底板厚度為2.5 m。消力池底板主要采用C25混凝土，由于泄水閘具有沖砂要求，消力池表面、趾墩及差動式尾坎均采用C35HF抗沖磨混凝土，表面按20cm間距設Φ20mm鋼筋網(wǎng)防裂。消力池底板混凝土分塊尺寸15 m×15 m，塊間采用鍵槽縫，縫寬2 cm，用閉孔泡沫塑板隔縫，上部設銅止水，且塊與塊之間用Φ32 mm鉸鏈筋將整個底板連成整體。

圖2 泄水閘消力池布置

圖3 泄水閘模型試驗測試的流速分布

3.2 海 漫

海漫前20m水平布置，后60m為1∶20向下游傾斜的坡。曾研究過采用具有較好防沖性能的格賓網(wǎng)石籠連接成的柔性海漫，但因為多泥沙河流，泥沙對格賓網(wǎng)的防腐層有磨損作用，因此予以放棄。經(jīng)研究采用分塊混凝土加鉸鏈筋連接的半柔性海漫，前20m海漫混凝土厚1.0m，后60m海漫厚0.8 m，均采用C25混凝土?；炷练謮K尺寸為5 m×5 m，縫寬1 cm，瀝青杉木板隔縫，且塊與塊之間用Φ32 mm鉸鏈筋將整個海漫連成整體。同時在海漫上增加加糙墩，增強海漫段的消能作用。加糙墩為八角形，高0.3 m，寬0.8 m，間距1.2 m，采用梅花形布置，共布置18排。

3.3 防沖槽

海漫末端采用寬28.5 m、深8.0m的倒梯形塊石防沖槽，海漫兩側采用寬14.5 m、深3.0m的倒梯形塊石防沖槽，以防止海漫末端及兩側發(fā)生淘刷破壞，并要求塊石粒徑400～600mm，單塊重量大于55 kg。

4 結語

通過對開縣調節(jié)壩工程泄水閘消能防沖措施的優(yōu)化設計及模型試驗論證，在深厚砂卵石河床上修建單寬流量達84 m3/s的泄水閘，通過在消力池前段加趾墩、消力池尾坎設置為差動式、海漫采用坡比1∶20的水流垂直擴散方式，以及在海漫設加糙墩等多種措施，可以使泄水閘消能防沖達到良好效果。

［1］漢江王甫洲水利樞紐初步設計報告［R］.武漢:水利部長江水利委員會，1993.

［2］劉宗仁，王亞春.西霞院反調節(jié)水庫工程設計綜述［J］.人民黃河，2006，(9).

［3］三峽水庫開縣消落區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理水位調節(jié)壩工程水工1/100整體模型試驗研究報告［R］.武漢:長江水利委員會長江科學院，2007.

［4］陳寶華，張世儒.水閘［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［5］吳持恭.水力學［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［6］李 煒.水力計算手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.