鏵尖子水庫消力池修改方案試驗(yàn)研究

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽 110003)

1 工程背景

鏵尖子水庫位于遼寧省本溪市桓仁縣境內(nèi)，是一座以灌溉為主、兼具防洪、發(fā)電和水產(chǎn)養(yǎng)殖的綜合性水利工程，同時(shí)也是桓仁縣六河灌區(qū)的骨干供水工程[1]。鏵尖子水庫始建于20世紀(jì)50年代，中間經(jīng)過兩次擴(kuò)建和三次加固，1986年最后一次加固至今已有30余年。由于年代久遠(yuǎn)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、后期維修管理不善等多種原因影響，近年來水庫病險(xiǎn)情況愈加嚴(yán)重，不僅不能正常運(yùn)行，還對下游的華來鎮(zhèn)和桓仁鎮(zhèn)以及兩鎮(zhèn)境內(nèi)的本桓、沈桓等多條高速公路安全造成威脅，除險(xiǎn)加固刻不容緩[2]。

通過現(xiàn)場檢查，鏵尖子水庫的溢洪道底板和邊墻破壞較為嚴(yán)重，左側(cè)的漿砌石導(dǎo)流墻坍塌并有明顯的繞壩滲流現(xiàn)象，溢洪道下游的挑坎存在嚴(yán)重破損并伴有滲水現(xiàn)象，海漫破損亦十分嚴(yán)重。因此，在除險(xiǎn)加固中必須要對現(xiàn)有溢洪道進(jìn)行改建或重建，根據(jù)工程可行性研究成果，如果對舊溢洪道進(jìn)行加固，不僅結(jié)構(gòu)可靠性低，而且投資較高。從經(jīng)濟(jì)與安全性兩方面考慮溢洪道需要重建。

2 消力池原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

2.1 模型范圍

溢洪道水流形態(tài)十分復(fù)雜，同時(shí)受周邊地形、地質(zhì)條件的影響較為明顯，一直是大壩泄水建筑物設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。因此，在模型試驗(yàn)過程中選取鏵尖子水庫溢洪道的全部工程作為試驗(yàn)的考慮范圍，以獲得最優(yōu)試驗(yàn)成果，保證建筑物的流態(tài)，具體范圍為上游400m的庫區(qū)及下游200m的河道。

2.2 模型試驗(yàn)的水文數(shù)據(jù)

根據(jù)鏵尖子水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案，溢洪道重建方案的正常蓄水位為138.00m；設(shè)計(jì)洪水位為131.01m；校核洪水位為132.01m，具體水文試驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表。

試驗(yàn)水文數(shù)據(jù)

2.3 消力池原設(shè)計(jì)方案

鏵尖子水庫除險(xiǎn)加固工程的溢洪道設(shè)計(jì)方案為開敞式陡漕溢洪道，總寬31.5m，凈寬27.5m，共分為三孔，其中左孔與中孔為凈寬10m的泄洪溢洪道，右孔為凈寬7.5m的排沙孔。消力池長60m，深3.1m，池低高程為113.00m，消能方式為底流消能。消力池右側(cè)邊墻不改變原有形式，左側(cè)邊墻拆除進(jìn)行消力池?cái)U(kuò)建。

2.4 道消力池消能效果試驗(yàn)分析

通過模型試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)與校核洪水條件下，鏵尖子水庫的下瀉流量分別為1189m3/s和2257m3/s，水流呈顯著的急流狀態(tài)，消力池的深度和寬度難以滿足水流擴(kuò)散的需要，各個(gè)斷面的水流流速很大，中間斷面的最大流速為19.12m/s；水流產(chǎn)生明顯的遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，且呈不穩(wěn)定狀態(tài)，在水頭擺動過程中有部分水流沖出；消力池消能效果極不理想，完全起不到消能效果。出池流速也很大，海漫中間斷面最大流速為7.56m/s，伴有明顯的挑流現(xiàn)象，坎后有明顯的跌水。

3 消力池修改方案試驗(yàn)

原消力池設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在設(shè)計(jì)與校核洪水條件下，水流在消力池內(nèi)產(chǎn)生明顯的急流，且流態(tài)不穩(wěn)定，消能效果不理想，因此必須對原方案進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。

3.1 修改方案1

該修改方案針對原方案的不足，采用如下修改思路：首先，增加消力池的深度，強(qiáng)化消能效果，將消力池尾坎高程由原來的117.00m增加到118.00m；改變尾坎與消力池池底的連接方式，由原設(shè)計(jì)方案的45°倒角連接，改為90°角直立連接；為增強(qiáng)消能效果，在消力池的中部設(shè)計(jì)一道消力坎，其縱向坎長2.5m，高1.5m[3]。

對修改方案1進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示：消力池中部的消力坎將原來的消力池分為前后兩級，在2%頻率洪水條件下，由于水流流速較大，高速水流受到消力池中部消力坎的阻擋，形成不穩(wěn)定的淹沒水躍，相對于原始方案，水流流態(tài)并沒有明顯改善；海漫段最大底流速為6.52m/s。由此可見，消力池的作用仍不能有效發(fā)揮，該方案雖然對原方案中的遠(yuǎn)驅(qū)水躍具有一定優(yōu)化作用，但水流流態(tài)仍不穩(wěn)定，海漫段流速仍然較大，容易造成局部沖刷。因此，修改方案的消能效果并不理想，仍需進(jìn)一步修改。

3.2 修改方案2

針對修改方案1的不足，提出修改方案2，該方案的基本思路：針對水流擴(kuò)散方面的不足，對消力池的擴(kuò)散形式進(jìn)行修改，采用右側(cè)對稱擴(kuò)散形式，將海漫部位的右側(cè)邊墻修改為90°轉(zhuǎn)角直立墻[4]，左側(cè)邊墻的坡度調(diào)整為1∶2.5，將海漫與消力池的連接部位改為90°轉(zhuǎn)角直立墻。

對修改方案2進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在2%頻率洪水條件下，在消力池內(nèi)產(chǎn)生淹沒水躍，且躍首前后移動極不穩(wěn)定。由于消力池?cái)U(kuò)散寬度顯著增大，中間斷面流速較原方案有明顯降低，最大底流速降為10.68m/s。海漫部位的流速有所減緩，底部最大流速為4.41m/s，且呈左大右小的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果說明：修改方案2比修改方案1有明顯進(jìn)步，有效改進(jìn)了消力池的消能效果，但并沒有達(dá)到理想狀態(tài)，仍需進(jìn)一步修改。

3.3 修改方案3

針對修改方案2的不足，提出修改方案3，該方案的主要思路是進(jìn)一步增加消力池尾坎的高度，由原來的117.00m調(diào)整為117.50m，增加0.5m，以增加消力池的深度。

對修改方案3進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在2%頻率洪水條件下，雖然尾坎高度的增加使池深增加0.5m，但是水流流態(tài)的改善并不明顯，消力池池首仍存在明顯的水躍，且仍不穩(wěn)定；消力池的出池流速相對方案2有所減小，并呈左大右小的形式，但是隨著下游水位降低，水躍進(jìn)一步下移為遠(yuǎn)驅(qū)水躍，消能作用也明顯變差，海漫段的最大底流速增加到4.51m/s。由此可見，修改方案3仍不符合設(shè)計(jì)要求，消力池的消能作用沒有得到明顯改善，仍需進(jìn)一步修改。

3.4 修改方案4

針對修改方案3的不足，提出修改方案4，該方案進(jìn)一步提高消力池尾坎的高程，由方案3的117.50m增加至118.00m，使池深增加到4.0m。

對修改方案4進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在2%頻率洪水條件下，消力池的池首產(chǎn)生比較穩(wěn)定的淹沒水躍，整個(gè)消力池的水流流態(tài)與消能效果都得到顯著改善；水流出池時(shí)的水躍消失，呈跌水狀態(tài)，雖然消力坎下游的面流速有所增大，但是底流速減緩明顯。在下游水位明顯降低時(shí)，消力池中的水躍會變?yōu)檫h(yuǎn)驅(qū)水躍，水流出池時(shí)呈現(xiàn)出嚴(yán)重的跌水狀態(tài)，海漫段最大底流速顯著增加，由方案3中的4.01m/s 增加至4.56m/s。與修改方案3相比，消能效果并沒有得到根本性改善，仍需進(jìn)一步調(diào)整。

3.5 修改方案5

修改方案1～方案4主要通過增加池深或池寬以增強(qiáng)消能作用，但均沒取得良好效果，因此應(yīng)考慮增設(shè)輔助消能工提高消能效果。基于上述思路，提出修改方案5：在溢洪道陡坡段末端和消力池前段設(shè)置梯形消能墩，其中溢洪道陡坡段末端設(shè)置一排3個(gè)，寬3.72m、長14.28m、高3.5m、間距等于墩寬的消能墩；在消力池前段設(shè)置前排5個(gè)，后排6個(gè)共兩排，寬2.25m、長3.25m、高3.0m、間距等于墩寬的消能墩；將消力池底板高程增加0.9m。修改方案5的平面布置圖如圖1所示。

圖1 修改方案5平面布置

修改方案5進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在2%頻率洪水條件下，高速水流受到梯形消能墩的阻擋作用，分流成多股水流和強(qiáng)迫性水躍，且形態(tài)極不穩(wěn)定，特別是消力池左側(cè)極易出現(xiàn)挑流；消力池出池水流呈嚴(yán)重跌水狀態(tài)，海漫段最大底流速由方案3中的4.56m/s增加到5.74m/s。由此可見，一排消能墩對高速水流的撞擊作用并不明顯，沒能達(dá)到預(yù)想的效果，仍需修改。

3.6 修改方案6

對修改方案5的試驗(yàn)情況進(jìn)行分析，由于消能墩的位置和組合不合理，影響了其功能的發(fā)揮，降低了消能效果。因此，在原有布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行消能墩的尺寸和位置調(diào)整，形成修改方案6。修改方案6的平面布置圖如圖2所示。

圖2 修改方案6平面布置

對修改方案6進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在2%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下，消力池的水躍穩(wěn)定。流態(tài)比較平順和均勻，海漫的水流流態(tài)也比較平穩(wěn)，最大底流速為3.56m/s，與修改方案5相比下降明顯，同時(shí)也低于上述各方案。在下游水位降低時(shí)消力池內(nèi)的流態(tài)依舊穩(wěn)定，只是海漫部位的流速有所增大，最大底流速為3.81m/s，各斷面流速分布均比較均勻。在0.2%頻率設(shè)計(jì)洪水條件下，在消力池內(nèi)仍能形成比較穩(wěn)定的淹沒水躍，部分水流漫出邊墻，出池流速呈中間小、兩邊大的分布特征。在0.033%頻率的校核洪水條件下，由于水流速度極大，消能墩起到了明顯的撞擊作用，但是在消力池內(nèi)仍能形成穩(wěn)定的淹沒水躍。

4 結(jié) 論

綜合修改方案1～6的實(shí)驗(yàn)情況，消力池在2%設(shè)計(jì)洪水條件下，修改方案6能夠達(dá)到比較理想的消能效果，對下游海漫和堤岸基本沒有不利影響。雖然在校核洪水條件下，消能作用有所減弱，出池流速明顯加大，流態(tài)變差，但是相較于原始方案亦有明顯改善。因此，采用修改方案6作為消力池設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鶴偉.鏵尖子水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案合理分析[J].黑龍江水利科技,2016(9):69-72.

[2] 楊揚(yáng).淺談小型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固措施[J].河南水利與南水北調(diào),2016(1):45-46.

[3] 王圣文,吳洪亮.多級連續(xù)消力池的布置與水力計(jì)算方法[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2011(5):105-107,138.

[4] 彭誠,王均星,鄭梅玲,等.漸擴(kuò)式折坡消力池的水力特性試驗(yàn)研究[J].水電能源科學(xué),2016(5):110-112,131.