中咀坡水電站溢洪道彎曲段改造設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

周錫發(fā)，成應(yīng)鵬，成紅蓮，謝 龍，李 洋

(1.中鐵五局集團(tuán)第五工程有限公司，湖南郴州423000;2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074;3.重慶市繼興工程監(jiān)理有限公司，重慶400074)

在現(xiàn)代水利水電工程建設(shè)中，溢洪道工程設(shè)計(jì)的合理與否，將直接影響到其泄流能力和整個(gè)水利樞紐運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性，且用于溢洪道的投資一般高達(dá)整個(gè)水庫(kù)樞紐工程的1/4［1］。因此，做好溢洪道的布局和合理選型，是整個(gè)水庫(kù)工程設(shè)計(jì)非常重要的部分。

水電站溢洪道一般都使用開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)。在彎曲段，水流流態(tài)非常復(fù)雜，由于離向心力的作用，使得凸岸水流向凹岸匯聚，橫向劇烈地沖擊凹岸，造成斷面內(nèi)流量分布不均，而且由于邊墻轉(zhuǎn)折，迫使水流改變方向偏離軸線，并在撞擊變強(qiáng)后受其反作用力不斷發(fā)生波的反射、干涉與傳播，形成一系列相互交錯(cuò)、不斷疊加的水流沖擊波，若不妥善采取措施，勢(shì)必對(duì)溢洪道兩邊壁造成嚴(yán)重的沖刷，影響下游水流流態(tài)，甚至導(dǎo)致兩岸岸坡坍塌和工程失事［2］。因此，合理地選擇、設(shè)計(jì)溢洪道彎曲段的布局和機(jī)構(gòu)形式，對(duì)溢洪道正常運(yùn)行和工程量的大小都有十分重要的意義［3］。

1 工程概況

中咀坡水電站為位于重慶市巫山縣境內(nèi)，壩址位于后溪河與其支流三莊溪匯合口以下約4.0 km的中咀坡處，距巫山縣城公路里程約70 km，控制流域面積118.3 km2，多年平均流量 4.186 m3/s，多年平均徑流量1.32億m3，中咀坡水庫(kù)正常蓄水位546.00 m，相應(yīng)庫(kù)容1 491萬(wàn)m3，總庫(kù)容為1 578萬(wàn)m3，電站裝機(jī)容量2 570 kW。按照DL 5180—2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，中咀坡水電站為3等中型工程，本工程大壩為面板堆石壩，壩高111 m，頂部高程為545 m，頂寬8 m。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，永久性主要建筑物大壩、泄水建筑物為2級(jí)建筑物，結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí);引水系統(tǒng)建筑物、電站廠房、次要建筑物及臨時(shí)性建筑物定為4級(jí)建筑物，結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅲ級(jí)。溢洪道的平面布置如圖1。

圖1 溢洪道平面布置Fig.1 Spillway arrangement

2 工程隱患

由于溢洪道基礎(chǔ)絕大部分置于弱風(fēng)化灰?guī)r上，穩(wěn)定性較差。再加上彎曲段復(fù)雜的水力特性，導(dǎo)致凹岸邊墻受到劇烈的橫向沖擊，局部邊坡甚至出現(xiàn)崩塌。同時(shí)，由于在溢洪道彎曲段水流流態(tài)惡劣、沖擊波疊加嚴(yán)重，導(dǎo)致各斷面內(nèi)水流分布不均、左右兩側(cè)受力特性不對(duì)稱，不僅不利于溢洪道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全運(yùn)行，還嚴(yán)重干擾了下游各銜接斷面的水流流態(tài)。工程竣工運(yùn)行后，無(wú)法保證水庫(kù)的安全泄洪［4］，存在著一系列的安全隱患。

3 溢洪道彎曲段改造設(shè)計(jì)

眾所周知，當(dāng)水流進(jìn)入彎道段后，會(huì)在溢洪道邊壁的引導(dǎo)下順著中軸線做曲線運(yùn)動(dòng)，自然會(huì)產(chǎn)生指向溢洪道外側(cè)的離心力，水體為抵消離心力會(huì)有向凹岸運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，造成兩岸水流橫向運(yùn)動(dòng)、水體分布不均，使得水流流態(tài)紊亂。溢洪道的曲率越大，其水流紊亂度也越大［5］。

中咀坡溢洪道段縱坡i=0.1，彎道中軸半徑為120 m，屬于典型的緩彎結(jié)構(gòu)［6］。當(dāng)水流進(jìn)入彎曲段時(shí)，水流互相衍射、干涉，形成明顯的水流沖擊波，并與彎道段離心力共同作用于水體，使其向凹岸匯聚，形成彎道內(nèi)左右兩側(cè)較高的水位差，產(chǎn)生回流、亂流等惡劣流態(tài)。因此，為改善整個(gè)溢洪道的水流流態(tài)，重點(diǎn)在于對(duì)彎曲段重新進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，減小其橫向水位差，使各斷面內(nèi)流量分布趨近均勻，消減或抑制沖擊波。

彎曲段的水利設(shè)計(jì)方法很多，比較而言，復(fù)曲線法，其布置對(duì)水流條件變化的適應(yīng)性較廣，但由于中咀坡電站橫斷面寬度較小，不利于變化較大復(fù)雜曲線的布置;對(duì)于斜底坎法，由于斜底坎的阻水作用，彎道水流壅水很高，有類似脫離底面的現(xiàn)象，而且水流中摻雜了大量氣泡。考慮到此位置位于隧洞中，其產(chǎn)生的大量氣泡會(huì)不利于工程;具體到渠底超高法與導(dǎo)流墻法，前者由于水流重力沿橫向坡度產(chǎn)生的分力與彎曲段水體的離心力相平衡;后者阻擋了水流向凹岸側(cè)匯聚，削弱了環(huán)流等不利流態(tài)，效果十分明顯，且具有施工方便，工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際水利工程中。結(jié)合該水庫(kù)溢洪道的實(shí)際情況，考慮采用渠底超高法及導(dǎo)流墻法改善溢洪彎曲段水流流態(tài)及減輕或消除沖擊波對(duì)下游的不利影響。

3.1 渠底超高布置

在彎曲段的橫剖面上，將外側(cè)渠底抬高，從而形成一定的橫向坡度，對(duì)內(nèi)側(cè)的水流匯入產(chǎn)生阻礙作用，同時(shí)，利用抬高水體重力沿橫向底坡產(chǎn)生的分力，抵消部分離心力，以調(diào)整橫剖面上的流量分布，使之均勻，改善流態(tài)［7］，減小沖擊波和保持彎曲段水面的穩(wěn)定性。凹岸底板抬高值Δh可按經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算：

式中：k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)上游來(lái)流量大小以及彎道曲線連接形式取 0.5～1.0，本工程取 0.75;b為溢洪道寬度;R為溢洪道彎道中軸曲率半徑。

根據(jù)式(1)，當(dāng)彎曲段弧頂處橫向底板高程差達(dá)到最大值2.61 m時(shí)，渠底正超高法效果最好。考慮到與彎曲段進(jìn)口與彎曲段出口的底板銜接，以及盡量降低彎曲段外側(cè)的水位高程以縮減邊墻的工程量等因素，并綜合考慮設(shè)計(jì)的超高方案施工的可行性，通過(guò)系列優(yōu)化試驗(yàn)，最終推薦最大超高值2.6 m方案，推薦方案彎曲段底板高程變化見(jiàn)表1。

表1 彎曲段內(nèi)底部沿程高程Table 1 Recommended scheme for the bottom bend in the path elevation

3.2 導(dǎo)流墻布置

為了消除彎道段因重力引起的橫向水面差，考慮在彎道段底板設(shè)置擋墻，以阻礙水流的橫向運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)流墻的出現(xiàn)，將溢洪道分為了內(nèi)外兩個(gè)水槽，為使內(nèi)、外槽流量大致相等，一般布置在彎道軸線上。在實(shí)際工程中，導(dǎo)流墻的材質(zhì)普遍使用鋼筋混凝土。

當(dāng)下泄流量較小，溢洪道內(nèi)水深低于導(dǎo)流墻高度時(shí)，導(dǎo)流墻完全阻隔了內(nèi)、外槽水流的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)下泄水流較大時(shí)，槽內(nèi)水流漫過(guò)了導(dǎo)流墻，但底部的大部分水流仍受到阻擋，不能自由地橫向流動(dòng)，使導(dǎo)流墻起到了歸順?biāo)?，改善彎道?nèi)水體分布結(jié)構(gòu)，優(yōu)化內(nèi)外兩槽分流比的作用。

導(dǎo)流墻的高度和寬度是其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)［8］，在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)流墻高度不夠，會(huì)影響導(dǎo)流的效果，不能很好的調(diào)整彎道內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流墻的寬度太窄，會(huì)影響導(dǎo)流墻承受兩側(cè)水體壓力的穩(wěn)定性，給工程帶來(lái)隱患，同時(shí)，增大導(dǎo)流墻的高度和寬度會(huì)增大工程量，增加施工成本。在設(shè)計(jì)階段，導(dǎo)流墻的高度一般取彎道段入口水深的0.3～0.5倍，寬度取彎道段入口水深的0.1～0.2倍。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)際情況，將導(dǎo)流墻布置在彎道段軸線上，墻體采用采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高3 m，寬2 m。渠底超高結(jié)合導(dǎo)流墻的布置見(jiàn)圖2。

圖2 彎道段改造方案Fig.2 Corner period of reconstruction scheme figure

4 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

從模型試驗(yàn)成果來(lái)看，改造方案下整個(gè)溢洪道流態(tài)有了明顯好轉(zhuǎn)，從表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，改造方案下左右兩側(cè)水深略有增加，流速小幅下降，提高了溢洪道運(yùn)行的穩(wěn)定性。從左右岸的水深、流速差來(lái)看，凹岸的最大水深有所降低，凸岸的最小水深有所增加，兩岸橫向差值有所下降，減少了彎曲段內(nèi)的水流橫向運(yùn)動(dòng)。

表2 原方案及改造方案彎曲段水深流速分布(設(shè)計(jì)工況下)Table 2 Original and improved plan for bending water velocity distribution(the design condition)

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用改造方案后，水流進(jìn)入彎曲段后，斷面橫向水深、流速差值減小，流量分布趨于均勻;整個(gè)溢洪道彎曲段水深增加，流速減小，有利于溢洪道的穩(wěn)定運(yùn)行;兩側(cè)邊壁沒(méi)有明顯的壅水，彎曲段內(nèi)相互交錯(cuò)的沖擊波被有效的抑制，水流流態(tài)有了明顯的改善。

筆者推薦方案在原址上進(jìn)行了優(yōu)化改造設(shè)計(jì)，只需在彎曲段凹岸側(cè)抬高底板和邊墻，并在中軸線處增設(shè)導(dǎo)墻，沒(méi)有拆除工程，減小了施工難度，節(jié)約了開(kāi)支。

5 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)溢洪道彎曲段的流態(tài)十分復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣直接影響到下游泄槽的流態(tài)，消能設(shè)施的工作效率，以及工程運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，其合理的形式是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，筆者通過(guò)對(duì)中咀坡水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯浚接懗銮渍呓Y(jié)合導(dǎo)流墻的布置方案，起到了均勻分布斷面內(nèi)流量，抑制急流沖擊波，改善彎曲段水流流態(tài)，提高下游消能效果的良好作用，對(duì)其他類似工程有著重要的參考價(jià)值。

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