麻溝水庫溢洪道設計與優(yōu)化

陳 勇（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002）

麻溝水庫溢洪道設計與優(yōu)化

陳 勇
（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002）

通過水工模型試驗研究，對原初步設計方案的效果和合理性進行評價，并針對進水引渠右導墻型式、溢流堰中部閘墩尾部形狀、溢流堰及溢洪道泄槽軸線布設、降低消力池底板高程和出口消力坎高程等進行多次調(diào)整比較，推薦優(yōu)選布置方案及體型參數(shù)，為麻溝水庫溢洪道體型優(yōu)化提供了技術支撐。圖1幅。

水庫；溢洪道；水工模型試驗；優(yōu)化設計

1　工程概況

麻溝水庫工程位于貴州省遵義市匯川區(qū)泗渡鎮(zhèn)麻溝村境內(nèi)，是1座以灌溉為主，并兼顧解決灌區(qū)內(nèi)人畜飲水的中型水庫。壩址以上流域面積57.0 km2，總庫容1 160萬m3，工程樞紐主要建筑物由混凝土面板堆石壩 （主壩和副壩）、溢洪道、導流兼放空隧洞、灌溉取水隧洞等組成，主壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高54.30 m。麻溝水庫洪水標準按50年一遇 （P=2%）洪水設計，1 000年一遇 （P=0.1%）洪水校核，泄水建筑物消能防沖設計洪水標準按30年一遇洪水設計，泄洪任務主要由溢洪道承擔。水庫校核洪水位為1 039.59 m，下泄流量為406 m3/s；設計洪水位為1 038.0 m，下泄流量為255 m3/s；30年一遇消能防沖溢洪道下泄流量為244 m3/s，相應水位為1 038.0 m。

溢洪道布置左岸，根據(jù)地形條件、軸線布置、消能方式等因素綜合考慮 ，施工圖設計時經(jīng)比較分析選擇溢洪道軸線為平直線布置，溢洪道由進水渠、控制堰段、泄槽段、消能段等組成，總長約240.98 m（含引渠和護坦），控制段為低實用堰，溢流凈寬12.0 m，泄槽寬度14.50 m，消力池長度45.0 m，寬度20.0 m，由于受地形地質(zhì)條件的限制，消能方式選擇下挖式消力池底流消能方式。

2　水工模型試驗成果

為驗證溢洪道原設計方案在不同工況下的泄洪水流流態(tài)及消能效果，確定合理的進水口體型和閘墩形狀，以及溢洪道軸線和末端消能方式，筆者所在單位與貴州黔水科研、試驗、檢測有限公司共同進行了溢洪道整體模型試驗研究，為優(yōu)選布置方案及體型優(yōu)化提供技術支撐。在原設計方案基礎上，結合地形地質(zhì)條件初步擬定3種方案進行水工模型試驗研究。

2.1原設計方案與水工模型試驗修改方案成果對照

2.1.1原方案試驗成果

受引渠右導墻的影響，進口引渠水流擾動明顯，且影響至溢流堰處，導致通過右邊孔下泄的水流有擺動的現(xiàn)象，從而影響了泄槽內(nèi)下泄水流的平順。受溢0+80.912 m～溢0+102.911 m泄槽轉彎段的影響，使得泄槽擴散段溢0+102.911 m～溢0 +113 m水流出現(xiàn)左高右低的現(xiàn)象 ，且設計工況下最大水面落差為4.5 m，轉彎段水流溢出泄槽邊墻。水流主體集中于左側邊墻，消力池內(nèi)未出現(xiàn)淹沒消能形式，池內(nèi)出現(xiàn)順時針回旋水流，消力池內(nèi)左右兩側流速差最大達11 m/s，水流流態(tài)混亂，消能效力低，消力池出坎水流攜帶較大的動能，消力池尾坎基礎最大沖刷深度為2.71 m。

2.1.2 修改方案1

（1）調(diào)整內(nèi)容。針對原方案水流跡線不能與引渠右導墻吻合的問題，水流擺動明顯，影響了泄槽內(nèi)水流的平順，故修改原方案導墻，原方案右導墻在溢0-024.5 m～溢0-009.5 m范圍內(nèi)導墻高度由3.0 m漸變到13.0 m，調(diào)整導墻高度均為13.0 m，且在導墻前沿設置橢圓型進口曲線。

（2）試驗成果。右導墻高度的修改和前沿橢圓連接曲線的設置，使得各級流量下，經(jīng)過引水渠的水流均能平順流入溢流堰 ，引渠右導墻流態(tài)有較大的改善，溢流堰的泄流能力也略有增加 ，泄流量增加約4.38 m3/s。

2.1.3修改方案2

（1）調(diào)整內(nèi)容。引水渠部分和溢流堰采用修改方案1的設置，將原方案溢0+80.912 m～溢0+ 102.911 m轉彎段，向上游移至溢0+30.889 m～溢0+53.927 m。

（2）試驗成果。下泄水流進入溢0+30.889 m彎道段后 ，水流開始折沖，水流從溢0+42.408 m樁號處折沖至溢0+98.601 m處，再繼續(xù)折沖進消力池。同時在彎道段之后的斷面上，下泄水流也出現(xiàn)和原方案一樣的左高右低的現(xiàn)象，設計工況下在溢0+53.927 m處出現(xiàn)最大水面落差，其落差值為5.75 m。折沖水流進入消力池后沒有出現(xiàn)明顯的回旋水流，水流極不均勻，未形成顯著的淹沒消能。消力池內(nèi)水浪翻滾，出坎水流依然攜帶較大的能量，對尾坎基礎有較大的沖刷。在校核工況下，尾坎基礎處最大沖刷深度為3.25 m。

2.1.4修改方案3

（1）調(diào)整內(nèi)容。引渠右導墻采用修改方案1的設置，以原設計方案溢0-002.0 m處右邊墻角點為圓心將溢流堰及溢洪道泄槽軸線順時針旋轉13.5°，使溢流堰及溢洪道泄槽軸線直線布置 ，同時將中部閘墩尾部形狀修改成橢圓型曲線。泄槽邊墻高度降低至3.80 m，同時降低消力池底板高程和出口消力坎高程。

（2）試驗成果。各級流量下，引水渠的水流均能平順流入溢流堰 ，溢洪道泄槽內(nèi)水流均勻平穩(wěn)，溢流堰和泄槽未出現(xiàn)互壓 ，泄槽段未出現(xiàn)水流溢出的現(xiàn)象，末端消力池內(nèi)形成完全的淹沒水流 ，消能充分。消能后的水流平順由尾坎泄出，在校核工況下尾坎基礎處最大沖刷深度為1.50 m，沖坑深度大大改善。試驗成果顯示，修改方案3最為合理。

2.2原設計方案與優(yōu)化設計成果比較

2.2.1進口引渠

（1）水工模型試驗研究成果。引渠右導墻進口曲線需作修改，邊墻高度也需作調(diào)整。

（2）原設計方案。導墻進口形狀為直角形；右導墻在溢0-024.5 m～溢0-009.5 m范圍內(nèi)導墻高度由3.0 m漸變到13.0 m。

（3）優(yōu)化設計方案。導墻進口形狀為橢圓型形；右導墻在溢0-024.5 m～溢0-009.5 m范圍內(nèi)導墻高度均為13.0 m。

2.2.2控制堰閘墩形狀

（1）水工模型試驗研究成果。溢洪道控制堰段閘墩進出口形狀對泄槽水流流態(tài)有一定影響。

（2）原設計方案。原方案控制堰段閘墩進出口形狀均為圓形。

（3）優(yōu)化設計方案。原方案控制堰段閘墩進出口形狀均改為橢圓型曲線，閘墩尾部半圓曲線改為長半軸2.5 m，短半軸1.25 m的橢圓曲線。

2.2.3溢洪道泄槽軸線

（1）水工模型試驗研究成果。為改善泄槽內(nèi)水流流態(tài)及流速，溢洪道泄槽軸線盡量不要設置轉彎段。通過實測各工況下泄槽水面線，可以降低泄槽邊墻高度。

（2）原設計方案。原方案溢0+010.282～溢0 +141.738 m為泄槽段，在溢0+80.912 m～溢0+ 102.911 m設置轉彎段；其中溢0+010.282～溢0+ 76.00 m，縱坡 i=0.143；溢0+102.911～溢0+ 141.738 m，縱坡 i=0.277，兩段間采用拋物線連接。泄槽斷面為矩形 ，底板寬14.5 m，邊墻高4.0 m。

（3）優(yōu)化設計方案。為避免泄槽水流出現(xiàn)左高右低的現(xiàn)象，防止泄槽水流折沖，以原設計方案溢0-002.0 m處右邊墻角點為圓心將溢流堰及溢洪道泄槽軸線順時針旋轉13.5°，溢洪道溢流堰及泄槽軸線直線布置，溢0+12.0 m～溢0+147.995 m為泄槽段，縱坡 i=0.143，泄槽斷面為矩形，底板寬14.5 m，邊墻高3.80 m。

2.2.4 消力池和消力坎

（1）水工模型試驗研究成果。降低消力池底板高程和出口消力坎高程，末端消力池內(nèi)形成完全的淹沒水流，消能充分，出池水流較為平順的進入下游河床內(nèi)，流態(tài)較好，改善消力坎坎腳沖坑深度。

（2）原設計方案。泄槽末端接消力池 ，消力池長45.0 m，底板高程為1 001.0 m，消力池末端設消力坎，坎頂高程為1 005.50 m，消力池邊墻頂部高程1 010.00 m，池深9.0 m。

（3）優(yōu)化設計方案。溢洪道溢流堰及泄槽軸線直線布置，從溢0-002.0 m～溢0+98.601 m為直線段，從溢0+98.601 m～溢0+147.995 m為直線擴散段段，從溢0+147.995 m～溢0+196.245m為消力池段，消力池長45.0 m，消力池底板高程999.0 m，尾坎高程1 003.5 m，均相對于原方案降低2.0 m，消力池邊墻頂部高程1 008.50 m，池深9.50 m。

3　優(yōu)化設計方案擬定

最終推薦方案通過對進水引渠右導墻型式、溢流堰中部閘墩尾部曲線、溢流堰及溢洪道泄槽軸線、降低消力池底板高程和出口消力坎高程等進行多方案優(yōu)化和調(diào)整，使引水渠的水流進水條件較好，溢洪道泄槽內(nèi)水流均勻平穩(wěn)，溢流堰及泄槽上均未出現(xiàn)負壓，泄槽段邊墻高度降低至3.80 m后未出現(xiàn)水流溢出的現(xiàn)象，消能效果明顯，沖坑深度大大改善。另外，溢洪道在泄校核水位時，沿程水深均低于設計邊墻，但原方案在下泄校核洪水時 ，消力池內(nèi)水深比設計邊墻高出2.5 m，下泄設計洪水時，消力池內(nèi)水深比設計邊墻高出0.5 m；因此，在降低消力池底板高程和消力池出口消力坎坎頂高程的同時，將消力池邊墻高度加高0.5 m。

根據(jù)溢洪道整體水工模型試驗研究成果 ，我們對原初步設計方案進行了優(yōu)化，經(jīng)多次優(yōu)化調(diào)整推薦修改方案3（見圖1）。

圖1　溢洪道原方案與優(yōu)化設計方案平面布置示意

4　結 語

通過水工模型試驗研究 ，對原初步設計方案的合理性進行論證，并針對進水引渠右導墻型式、溢流堰中部閘墩尾部形狀、溢流堰及溢洪道泄槽軸線、降低消力池底板高程和出口消力坎高程等進行多次調(diào)整比較，推薦優(yōu)選布置方案及體型參數(shù)，為溢洪道體型優(yōu)化提供了技術支撐。經(jīng)優(yōu)化設計后溢洪道布置合理，體型滿足各工況下泄水流要求，在各典型工況時，溢洪道泄槽內(nèi)水流均勻平穩(wěn) ，溢流堰及泄槽上均未出現(xiàn)負壓，泄槽段未出現(xiàn)水流溢出的現(xiàn)象，末端消力池消能效果明顯，沖坑深度大大改善。

［1］ SL 228—2013，混凝土面板堆石壩設計規(guī)范［S］.

［2］ SL 253—2000，溢洪道設計規(guī)范［S］.

［3］ SL 155—2012，水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程［S］.

責任編輯 吳 昊

2016-04-12

陳 勇 （1975-），男，高級工程師，主要從事水工結構設計工作。