吉林省時(shí)家店水庫(kù)溢洪道臺(tái)階式消能的應(yīng)用

井德泉

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

柳河縣時(shí)家店水庫(kù)位于吉林省南部地區(qū)，是一座以灌溉、防洪為主，結(jié)合養(yǎng)魚(yú)等綜合性利用的中型水庫(kù)，最大庫(kù)容為1734×104m3，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物等級(jí)為3級(jí)。主要建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核；消能防沖30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。

溢洪道為該工程主要建筑物，位于大壩左岸，為開(kāi)敞式溢洪道，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，溢洪道軸線與壩軸線垂直，堰寬20m，上下游最大高差9.5m。

進(jìn)口溢流堰段：進(jìn)口段(樁號(hào)溢0-008.0～溢0+000m)底寬20m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚度為0.5m，底板頂高程為393.00m；溢流堰段(樁號(hào)溢0+000～溢0+005.0m)，溢流堰堰型為WES堰，上游面為垂直面，堰頂高程為394.35m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；整流段(樁號(hào)溢0+005.0～溢0+014.625m)底板頂高程392.00m，鋼筋混凝土底板厚度為0.5m。

臺(tái)階式消能段：消能段(樁號(hào)溢0+014.625m～溢0+036.225)為防止下泄水流淘刷壩腳并與下游尾水渠水流平順連接，依據(jù)地形和高差進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，在整流段末端設(shè)臺(tái)階式消能段，臺(tái)階尺寸為長(zhǎng)1.0m×高0.5m，共17級(jí)臺(tái)階，后為消力池池深0.5m，底板高程為385.20m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

尾水渠段：干砌石尾渠段(樁號(hào)溢0+036.225～溢0+484.225m)，其中樁號(hào)溢0+036.225～溢0+71.225m為尾渠收縮段，渠道底寬由20m漸變至5m；樁號(hào)溢0+071.225～溢0+216.225m為尾渠彎段，轉(zhuǎn)彎半徑70m，角度119°；樁號(hào)溢0+0216.225～溢0+484.225m為尾渠直線段。

1 水工模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)任務(wù)及要求

進(jìn)行P=3.33%、設(shè)計(jì)洪水(P=2%)和校核洪水(P=0.33%)情況下溢洪道的過(guò)流能力，測(cè)定臺(tái)階式消能在不同泄量情況下的消能率，測(cè)定臺(tái)階式消能臺(tái)階處的壓強(qiáng)分布，觀測(cè)分析臺(tái)階處是否會(huì)發(fā)生氣蝕。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 原試驗(yàn)工況

(1)試驗(yàn)工況一(校核流量148.56m3/s)

試驗(yàn)測(cè)得上游水位396.73m，下游水位392.51m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位396.82m，下游水位392.50m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位低0.09m，因此滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.485。消能率見(jiàn)表1。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見(jiàn)表2。

(2)試驗(yàn)工況二(設(shè)計(jì)流量62.72m3/s)

試驗(yàn)測(cè)得上游水位395.74m，下游水位388.89m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位395.74m，下游水位388.73m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位相同，實(shí)測(cè)泄量比理論計(jì)算泄量多0.98m3/s，因此滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.336。消能率見(jiàn)表1。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見(jiàn)表2。

(3)試驗(yàn)工況三(P=3.33%流量39.42m3/s)

試驗(yàn)測(cè)得上游水位395.43m，下游水位387.96m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位395.37m，下游水位387.80m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位高0.06m，占總水頭的0.01%，因此不影響泄流，滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.256。消能率見(jiàn)表1。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)測(cè)得泄流量及計(jì)算消能率

表2 臺(tái)階消能段階梯處壓強(qiáng)分布

試驗(yàn)施放了3個(gè)具有代表性的特征流量，并繪制了泄流量與上游水位關(guān)系曲線和理論計(jì)算值的對(duì)比曲線如圖1所示，從圖1中可以看出，對(duì)比泄流能力，各個(gè)工況均可達(dá)到泄流要求。在壓強(qiáng)方面，設(shè)置的18個(gè)測(cè)壓孔中1號(hào)和2號(hào)測(cè)壓孔出現(xiàn)負(fù)壓的幾率大且最大負(fù)壓為-9.3kPa，1號(hào)和2號(hào)測(cè)壓孔布置在第一、二級(jí)臺(tái)階處。

1.2.2 修改試驗(yàn)工況

由于在第一、二級(jí)臺(tái)階處出現(xiàn)較大負(fù)壓，為了改善水流條件防止氣蝕產(chǎn)生破壞混凝土結(jié)構(gòu)，修改了第一、二級(jí)臺(tái)階，臺(tái)階改為橢圓弧段，弧線方程為x2/30+y2/10=1。修改后再進(jìn)行上面的試驗(yàn)，得出以下成果：

(1)修改試驗(yàn)工況一(校核流量148.56m3/s)

試驗(yàn)測(cè)得上游水位396.92m，下游水位392.52m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位396.82m，下游水位392.50m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位高0.1m，占總水頭的0.03%，滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.55。消能率見(jiàn)表3。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見(jiàn)表4。

(2)修改試驗(yàn)工況二(設(shè)計(jì)流量62.72m3/s)

試驗(yàn)測(cè)得上游水位395.77m，下游水位388.92m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位395.74m，下游水位388.73m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位高0.03m，占總水頭的0.01%，因此不影響泄流，滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.341。消能率見(jiàn)表3。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見(jiàn)表4。

(3)修改試驗(yàn)工況三(P=3.33%流量39.42m3/s)

試驗(yàn)測(cè)得上游水位395.45m，下游水位387.98m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位395.37m，下游水位387.80m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位高0.08m，占總水頭的0.01%，因此不影響泄流，滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.242。消能率見(jiàn)表3。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見(jiàn)表4。

表3 試驗(yàn)測(cè)得泄流量及計(jì)算消能率

表4 臺(tái)階消能段階梯處壓強(qiáng)分布

修改后的試驗(yàn)施放了同樣的3個(gè)具有代表性的特征流量，并繪制了泄流量與上游水位關(guān)系曲線和理論計(jì)算值的對(duì)比曲線如圖1所示，從圖1中可以看出，對(duì)比泄流能力，各個(gè)工況均可達(dá)到泄流要求。

在壓強(qiáng)方面，改為橢圓弧段后撤銷(xiāo)了1號(hào)、2號(hào)、13號(hào)和14號(hào)測(cè)壓孔，由于第一、二級(jí)臺(tái)階修改為橢圓弧段，因此其他測(cè)壓孔的壓力值均不同程度受到了影響，大部分壓力值有所增大。9號(hào)孔處出現(xiàn)了該方案中最大負(fù)壓，負(fù)壓值僅為-4.8kPa，負(fù)壓值較小，不會(huì)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

圖1 兩方案水位流量與理論值對(duì)比曲線

由上述水工模型試驗(yàn)可以看出，原設(shè)計(jì)方案和修改后設(shè)計(jì)方案，在泄流能力和消能率方面基本相同，但在壓強(qiáng)方面，修改方案要優(yōu)于原方案，修改方案降低了負(fù)壓，減少了在洪水泄流時(shí)發(fā)生氣蝕的可能，泄洪更為安全，故本次設(shè)計(jì)選用了修改后的方案。

該選定的溢洪道消能布置方案，符合工程實(shí)際情況，消能方式采用了臺(tái)階式消能的方式，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得的消能率為：校核洪水流量148.56m3/s時(shí)，消能率為31.20%；設(shè)計(jì)洪水流量62.47m3/s時(shí)，消能率為66.29%；30年一遇洪水流量40.19m3/s時(shí)，消能率為74.18%。由此可以看出，臺(tái)階式消能的結(jié)構(gòu)布置很好地解決了本工程溢洪道的消能防沖等問(wèn)題。

2 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)泄洪建筑物下游布置消力池空間受限時(shí)，采用臺(tái)階式消能的措施，能大大減小下游消力池等消能工的尺寸，以?xún)?yōu)化結(jié)構(gòu)布置和節(jié)省工程投資。

臺(tái)階式消能在溢洪道消能方面應(yīng)用具有較好的消能效果，消能率達(dá)到70%以上，消能率與單寬流量有著密切聯(lián)系，在臺(tái)階的尺寸和型式保持一定時(shí)，單寬流量越小其消能率越高。

消能臺(tái)階的型式也會(huì)影響到泄流過(guò)程中的臺(tái)階處的壓強(qiáng)變化，當(dāng)單寬流量較大時(shí)，建議結(jié)合水工模型試驗(yàn)，來(lái)確定最優(yōu)的臺(tái)階尺寸和型式，以減少混凝土臺(tái)階氣蝕的發(fā)生，來(lái)保障泄流建筑物結(jié)構(gòu)安全。

吉林省柳河縣時(shí)家店水庫(kù)溢洪道消能防沖工程自2010年投入運(yùn)行以來(lái)，歷經(jīng)多年汛期洪水考驗(yàn)，泄流平順，消能率高，下游尾水流態(tài)平穩(wěn)，下游河道基本無(wú)沖刷，充分體現(xiàn)了臺(tái)階式消能在低水頭、小單寬流量溢洪道消能中布置的優(yōu)勢(shì)。