德厚水庫引水隧洞塔式進(jìn)水口分層取水設(shè)計

冉海林+楊必嫻

摘 要：文章以德厚水庫為例，其為大（2）型水利工程，溢洪道設(shè)計的合理與否直接關(guān)系到水庫的安全。通過水工模型試驗對溢洪道設(shè)計方案的合理性進(jìn)行評價，并根據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)的問題，對溢洪道引渠段左側(cè)導(dǎo)墻、陡坡泄槽段及消力池體型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計后溢洪道布置及體型合理，泄流能力滿足要求，水流流態(tài)平穩(wěn)，消能效果理想。

關(guān)鍵詞：德厚水庫；溢洪道設(shè)計；水工模型試驗；體型優(yōu)化

1.工程概況

德厚水庫工程位于云南省文山州文山市德厚鎮(zhèn)，洪水標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇（P=1%）洪水設(shè)計，5000年一遇（P=0.02%）洪水校核，泄水建筑物消能防沖設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇（P=2%）洪水設(shè)計。水庫泄洪任務(wù)由溢洪道和泄洪隧洞承擔(dān)，當(dāng)遇重現(xiàn)期小于等于20年（P≤5%）的洪水時，泄洪任務(wù)由溢洪道單獨完成；當(dāng)遇重現(xiàn)期大于20年（P>5%）的洪水時，泄洪任務(wù)由溢洪道和泄洪隧洞共同承擔(dān)。

2.溢洪道設(shè)計方案

（1）進(jìn)口引渠段（溢0-065.54m～溢0+000m）：為不等寬平底明渠，底板高程1373.0m，底坡i=0。其中，溢0- 0 65.54m～溢0- 02 8.016m段過水?dāng)嗝鏋樘菪?，邊坡坡比?： 0. 5，邊墻設(shè)置為下潛式，墻頂高程13 81. 0 m～13 74 . 0 m；溢0-028.016m～溢0-018.5m段為漸變段；溢0-018.5m～0+000m段過水?dāng)嗝鏋榫匦?，墻頂水平，高程?381.0m。

（2）控制段（溢0+000m～溢0+018m）：為無坎平底寬頂堰，堰凈寬6m，堰頂高程1373.0m，低于正常蓄水位4.5m?？刂贫卧O(shè)一道平板檢修閘門及一道弧形工作閘門。

（3）泄槽段（溢0+018.0m～溢0+328.1m）：過水?dāng)嗝婢鶠榫匦?，全長310.1m，由泄槽Ⅰ段、拋物線Ⅰ段、泄槽Ⅱ段、拋物線Ⅱ段及泄槽Ⅲ段組成：

（4）消力池段（溢0+328.1m～溢0+365.6m）：根據(jù)地形、地質(zhì)條件，溢洪道采用下挖消力池底流消能方式。消力池長37.5m，池寬10m，池深3.2m，邊墻高7.5m。

（5）護(hù)坦段（溢0+365.6m～溢0+373.1m）：長7.5m，置于沖洪積砂卵礫石層上。

3.原方案水工模型試驗成果及存在問題

為了驗證溢洪道設(shè)計的合理性，進(jìn)行了水工模型試驗。模型試驗依據(jù)重力相似準(zhǔn)則，采用正態(tài)模型，幾何比尺采用1：35。

3.1原方案試驗成果

（1）泄流能力

水工模型試驗成果表明：校核洪水位1380.27m工況下，溢洪道的泄流量為170.9m3/s，比設(shè)計泄流量偏小約3%。

（2）水流流態(tài)及流速

①溢洪道進(jìn)口引渠段左側(cè)導(dǎo)墻處形成跌水，對水流形成擁堵作用，對泄流量產(chǎn)生一定影響；

②泄槽段沿程水流平順，水深、流速分布基本正常，泄槽段沿程邊墻高度滿足要求；

③校核工況下泄槽Ⅲ段（溢0+283.5m～溢0+323.5m）段流速較大（V=25 m/s～29m/s），水深較淺（h=1.15m～0.6m），空化數(shù)σ=0.21～0.24，均小于0.3，存在發(fā)生空蝕破壞的可能。

3.2原方案存在問題

①進(jìn)口引渠段左側(cè)導(dǎo)墻（溢0-018.5～溢0-057.5m）設(shè)計為下潛式，進(jìn)口水流在左側(cè)導(dǎo)墻處形成跌水，流態(tài)紊亂，對入渠水流產(chǎn)生擁堵作用，影響溢洪道的泄流能力。

②陡坡泄槽Ⅲ段存在發(fā)生空蝕破壞的可能，需增設(shè)摻氣設(shè)施。

③力池體型設(shè)計不夠合理，池內(nèi)消能水體不足，消能效果不明顯，不能較好滿足設(shè)計消能要求。

4.溢洪道體型優(yōu)化

4.1引渠段左側(cè)導(dǎo)墻體型優(yōu)化

為了使進(jìn)流不形成跌落阻流，增加泄洪能力，將進(jìn)口引渠段左側(cè)下潛式導(dǎo)墻修改為半徑R=10m的圓弧形導(dǎo)墻，墻頂水平，與控制段前引渠邊墻同高，為1381.0m。圓弧導(dǎo)墻前不再設(shè)置導(dǎo)墻，開挖后與引渠底板高程同高，為1373.0m。

4.2泄槽段增設(shè)摻氣設(shè)施

為防止陡坡泄槽Ⅲ段發(fā)生空蝕破壞，將原溢洪道底板拋物線Ⅱ段修改為半徑R=85m的圓弧曲線，圓弧起點樁號為溢0+251.50m，底板高程為1349.614m，圓弧末端樁號為溢0+268.214m，末端以摻氣跌坎（坎高1.125m）+平臺（順?biāo)飨驅(qū)?.194m）的摻氣設(shè)施與泄槽Ⅲ段銜接?？v剖面體型見圖1所示。

4.3消力池體型優(yōu)化

由原設(shè)計方案模型試驗可知，消力池主要問題在于體型尺寸不足，發(fā)生水躍溢出消力池的現(xiàn)象。通過布置研究，因受地形條件限制，消力池長度無加長條件。結(jié)合消力池所在河床下伏基巖下潛走勢將原設(shè)計平底消力池調(diào)整為斜坡式消力池，消力池底板高程1311.689m～1307.5m，邊墻高度7.31m～11.5m。調(diào)整后既保證了消力池全部基礎(chǔ)座落于基巖上，同時又加大了池深，增加了水墊深度與消能水體，具有良好的消能效果。此外，結(jié)合消力池左側(cè)邊墻緊臨德厚河的有利條件，在消力池前段左側(cè)邊墻留一缺口，缺口頂高程高于原河床2.5m，水庫設(shè)計洪水及以上工況時泄洪隧洞下泄水流經(jīng)缺口可進(jìn)入消力池內(nèi)，增強(qiáng)了水流紊動，消能效果理想。

5.設(shè)計優(yōu)化后模型試驗驗證

5.1泄流能力

引渠段左側(cè)導(dǎo)墻體型優(yōu)化后，入渠水流平順，未出現(xiàn)水流擁堵現(xiàn)象，泄洪能力滿足調(diào)洪下泄流量要求并具有約3%的超泄能力。模型試驗溢洪道泄洪水位～流量關(guān)系成果見表1。

5.2水流流態(tài)

進(jìn)口引渠段左側(cè)導(dǎo)墻體型優(yōu)化后，泄流水面平順，貼壁良好，進(jìn)口引渠段水面跌落小，流態(tài)理想。陡坡泄槽段設(shè)置了摻氣跌坎后，形成摻氣空腔，圓弧段動水壓力較小，前段壓力不大，其后壓力逐漸增加，各個工況下沿程均未出現(xiàn)負(fù)壓，摻氣保護(hù)作用效果明顯。消力池內(nèi)壓力較大，流速較小，水流摻氣明顯，不會發(fā)生空蝕破壞。

在設(shè)計洪水工況（設(shè)計工況下泄流量與消能防沖工況下泄流量同為104m3/s）及日常局開運行工況下，消力池內(nèi)水流流速不大且可見大量摻氣，水躍形態(tài)良好，水流紊動強(qiáng)烈，消能效果理想。消力池體型優(yōu)化后，不但滿足了消能防沖工況下的消能要求，而且還大大改善了校核洪水工況下池內(nèi)流態(tài)，消能效果明顯，提高了消能率。

6.結(jié)語

（1）進(jìn)口引渠導(dǎo)墻體型設(shè)計的合理與否，直接影響溢洪道的泄流能力?！兑绾榈涝O(shè)計規(guī)范》（SL253-2000）中指出2倍堰前水深長度以遠(yuǎn)的導(dǎo)墻可設(shè)置為下潛式，建議設(shè)計人員在采用時，慎重選擇導(dǎo)墻體型，確保水流入渠平順，防止產(chǎn)生跌落阻流現(xiàn)象。

（2）在泄槽流速高、空化數(shù)小的陡坡段，宜設(shè)置摻氣設(shè)施，通過試驗，泄槽由緩變陡可采用與拋物線相近的圓弧曲線銜接，曲線末端設(shè)置跌坎+平臺的摻氣設(shè)施，該種摻氣設(shè)施施工簡單，摻氣效果良好，可有效防止空蝕破壞。

（3）溢洪道消能工體型應(yīng)充分結(jié)合其所處地形、地質(zhì)及外部條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可達(dá)到事半功倍的效果。

（4）經(jīng)驗公式計算結(jié)果與模型試驗成果間存在一定差異，大型工程及水力條件較復(fù)雜的中型工程，水工模型試驗驗證是十分必要的。

（5）通過水工模型試驗，對德厚水庫溢洪道引渠段左側(cè)導(dǎo)墻、陡坡泄槽段及消力池體型進(jìn)行修改與優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后溢洪道布置合理，體型滿足各工況泄流要求，在各典型工況下，溢洪道水流流態(tài)平穩(wěn)，消能效果理想。

參考文獻(xiàn)：

[1]符鋒，冉海林，等.《云南省文山州德厚水庫工程初步設(shè)計報告》[R].云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，2015.

[2]沈煥榮.《云南省文山州德厚水庫工程溢洪道及泄洪洞水工模型試驗研究報告》[R].四川大學(xué)，2015.