翁養(yǎng)水庫(kù)溢流壩段消能措施優(yōu)化初探

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041)

中小型水庫(kù)工程中擋水建筑物和泄水建筑物組合的選型很多，“重力壩擋水+壩身泄洪+壩后消力池”的組合始終占據(jù)重要地位。究其原因，主要有以下幾點(diǎn)：?較土石壩而言此壩型超泄超標(biāo)洪水能力強(qiáng)，安全性高；?較拱壩而言此壩體斷面大，對(duì)地形地質(zhì)條件適應(yīng)性好、材料性能的要求低；?維護(hù)、修復(fù)或擴(kuò)建，相對(duì)其他壩型簡(jiǎn)便；?泄水建筑物較其他壩型布置容易。

中國(guó)西南地區(qū)大部分山區(qū)河流，洪水期來(lái)流量大洪峰歷時(shí)短，重力壩超泄能力強(qiáng)、泄水建筑物布置緊湊、水流歸槽條件好，因此，在中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)中，常采用重力壩壩頂溢流的型式。從溢流堰頂下泄水流，流速快且單寬流量大，如果不采用妥善的消能設(shè)施予以消減，將對(duì)建筑物和下游河床產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷。消能方案合理與否不僅關(guān)系到工程投資是否經(jīng)濟(jì)，更關(guān)系到工程在各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的安全性。

本文結(jié)合翁養(yǎng)水庫(kù)項(xiàng)目實(shí)施階段基礎(chǔ)開(kāi)挖詳勘成果和泄洪消能的基本特性，對(duì)消力池進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并重新復(fù)核相關(guān)水力及抗沖抗浮計(jì)算。

1 水庫(kù)概況

翁養(yǎng)水庫(kù)位于黔東南苗族侗族自治州雷山縣境內(nèi)，壩址集水面積6.95km2，是一座以村鎮(zhèn)供水及灌溉用水為主要任務(wù)的水庫(kù)，總庫(kù)容78.8萬(wàn)m3，最大壩高53m，屬Ⅴ等小(2)型水庫(kù)。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，樞紐布置采用碾壓混凝土重力壩+河床泄洪溢流壩+左岸壩身取水兼放空管+供水管線型式。壩頂高程1337.00m，原壩基底高程1284.00m，最大壩高53m，水庫(kù)正常蓄水位1333.00m，相應(yīng)庫(kù)容為61萬(wàn)m3。

2 消能防沖標(biāo)準(zhǔn)及原消能建筑物布局

該工程消能防沖標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，洪峰流量為95.8m3/s，水庫(kù)調(diào)蓄后入庫(kù)流量為81.1m3/s，下游水位為1295.13m，單寬流量5.4m3/s，洪水規(guī)模相對(duì)較小。

根據(jù)洪水標(biāo)準(zhǔn)和泄洪建筑物設(shè)計(jì)原則進(jìn)行泄洪建筑物布置。本流域?qū)俚湫偷纳絽^(qū)雨源型河流，徑流的時(shí)空分布變化與降水基本一致，泄洪建筑物采用經(jīng)調(diào)洪演算后的下泄流量，最大下泄流量為168m3/s。壩址處河床較為寬闊，溢洪道布置于河床中部，具備下泄水流歸槽條件，同時(shí)該工程規(guī)模不大，下泄流量小，考慮到閘門(mén)運(yùn)行的可靠性較低，故而采用開(kāi)敞式溢洪道。

3 原消能建筑物設(shè)計(jì)方案

在中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)中，常采用壩頂溢流及泄流底孔方式來(lái)泄放洪水，兩種泄洪方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。壩頂溢流泄放流量大，下游的水力銜接設(shè)施及消能設(shè)計(jì)較易解決，必要時(shí)還可以泄放漂流物。當(dāng)壩頂溢流不滿足泄洪條件時(shí)，可增設(shè)泄流底孔。泄流底孔可在較低的庫(kù)水位下泄水，在河流泥沙較多的工程條件下也可用于沖砂。

翁養(yǎng)水庫(kù)工程規(guī)模較小，壩址下游河床較寬闊，考慮到工程運(yùn)行可靠性，壩頂溢洪道采用開(kāi)敞式溢洪道，堰頂高程1333.00m，共設(shè)2孔，每孔寬6.5m。溢流堰采用WES實(shí)用堰型，下游壩坡采用1∶0.75，邊墻高1.5m，反弧段半徑為11.50m，消力池布置于壩下游河床部位。

消力池沿線表部為河床堆積的第四系砂卵礫石層，厚1.5～4.5m，不宜作為消力池基礎(chǔ)。下伏基巖為砂質(zhì)板巖，基巖自上而下分為強(qiáng)風(fēng)化CⅣ級(jí)巖體、弱風(fēng)化BⅢ2級(jí)巖體及微新BⅢ1級(jí)巖體。

強(qiáng)風(fēng)化巖體垂直埋深7～9m，層面及節(jié)理裂隙發(fā)育，整體較破碎，強(qiáng)度較低；弱風(fēng)化層垂直埋深18～25m，層面及節(jié)理裂隙較發(fā)育，整體較完整，強(qiáng)度較高；微新巖體層面多閉合，節(jié)理裂隙不發(fā)育，強(qiáng)度高。消力池基礎(chǔ)可置于強(qiáng)風(fēng)化中下部或弱風(fēng)化巖體頂部。

常用的消能方式有遠(yuǎn)射式挑流消能、底流式水躍消能和面流式消能等。

對(duì)于高壩和中壩，且下游河床巖石條件較好時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用遠(yuǎn)射式挑流消能。挑流消能可通過(guò)上仰挑射角，將水流挑送到距離壩趾較遠(yuǎn)的安全地帶，即可節(jié)約下游保護(hù)工程的造價(jià)，又能達(dá)到較好的消能效果，但這種消能方式對(duì)于下游河床或岸坡的地質(zhì)條件要求較高，本工程壩高只有53m，且下游地質(zhì)條件較差，達(dá)不到挑流消能的要求。

對(duì)于中壩和低壩，流量較大的情況，底流式水躍消能較為適合。底流消能利用壩身下泄急流與下游河床的緩流水躍連接，在水躍過(guò)程中，水流劇烈旋滾摻氣消能。設(shè)計(jì)相對(duì)面流式簡(jiǎn)易安全，但因消能區(qū)距離壩趾較近，需要修建護(hù)坦等消能建筑物，造價(jià)相對(duì)較高。在工程實(shí)際應(yīng)用中，因底流消能采取水躍消能，在淹沒(méi)式水躍中，可按水躍長(zhǎng)度、位置設(shè)計(jì)護(hù)坦，但遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，在收縮斷面與水躍間還有很長(zhǎng)的一段回水曲線，如果所有范圍都加以保護(hù)，經(jīng)濟(jì)性太差且消能效果也不佳。針對(duì)這種情況，采用在壩趾下設(shè)置消力池，使壩下發(fā)生淹沒(méi)式水躍，節(jié)約工程量。

面流式消能通過(guò)挑流鼻坎與下游水位表面連接，利用表面急流底部旋滾消能。最適合溢洪道需下泄大量冰塊或漂浮物的情況。

該工程采用壩身表孔溢流泄洪方案，原設(shè)計(jì)方案消能防沖型式經(jīng)比選后采用底流消能方式。消力池底板頂高程定為1288.50m，底板厚2m，消力池長(zhǎng)26m，池深4.5m。消力池?cái)嗝鏋榫匦螖嗝妫讓?5m，兩側(cè)邊墻墻頂高程為1296.00m。消力池尾坎頂高程1293.00m，之后同高程順接海漫段。

4 新消能建筑物設(shè)計(jì)方案

由于貴州屬于巖溶較為發(fā)育的地區(qū)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施階段，開(kāi)挖揭示的地質(zhì)情況較上一階段優(yōu)，弱風(fēng)化層實(shí)際埋深比初勘階段淺4.5～6m，本著節(jié)約工程投資對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整，壩頂高程不變，大壩基礎(chǔ)上抬6m，消力池基礎(chǔ)上抬4.5m，消能措施同步進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，重新進(jìn)行相關(guān)計(jì)算復(fù)核。

4.1 地質(zhì)情況比較

詳勘階段的巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果、巖體風(fēng)化特征、結(jié)構(gòu)類(lèi)型及工程地質(zhì)分類(lèi)均與初勘階段相同，故巖石物理力學(xué)性指標(biāo)建議值用同初勘階段相同。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，地層的分布情況出現(xiàn)較大變化，尤其是巖層的分布高程顯著上抬，詳見(jiàn)表1。

表1 初勘和詳勘階段地質(zhì)條件對(duì)比

原方案中大壩建基面位于弱風(fēng)化層中上部，調(diào)整后建基面由1284.00m上抬至1290.00m，而弱風(fēng)化層實(shí)際埋深比上階段上抬6m，故調(diào)整后大壩建基面依然位于弱風(fēng)化層中上部。原消力池建基面坐落與強(qiáng)化分下部，相應(yīng)的調(diào)整后由1286.50m上抬4.5m至1291.00m高程，調(diào)整后消力池基礎(chǔ)進(jìn)入弱風(fēng)化層上部。調(diào)整后的基礎(chǔ)條件更優(yōu)。

4.2 新消能建筑物型式復(fù)核

本工程采用壩身泄洪方案，在遭遇200年、30年、10年一遇洪水時(shí)，樞紐下泄流量分別為168m3/s、113m3/s、81.1m3/s，基礎(chǔ)上抬、消能建筑物型式調(diào)整后相關(guān)泄量還是采用原計(jì)算參數(shù)。消能防沖型式重新進(jìn)行了優(yōu)選考慮，對(duì)挑流消能、底流消能、面流消能、戽式消能、臺(tái)階消能重新進(jìn)行比選：

?由于采用不設(shè)閘門(mén)的自由溢流泄洪方式，下泄流量變幅大，且具有隨機(jī)性，下游水位變幅也較大，不宜采用面流及戽式消能。

?挑流消能對(duì)下游河床沖刷較大，且流量小時(shí)無(wú)法起挑，消能效果較差，依然需要深挖基礎(chǔ)布置護(hù)坦。

?由于上、下游最大水頭差及下泄流量相對(duì)較小，下泄歸槽條件相對(duì)較好，設(shè)計(jì)中考慮基巖面抬高依然采用底流消能方式，能夠有效保證消能效果，并不對(duì)下游河道造成沖刷。

故調(diào)整后的消能建筑物型式依然采用底流消能。

4.3 消能防沖計(jì)算成果比較分析

對(duì)原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案消能防沖設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行重新復(fù)核，成果見(jiàn)表2：

表2 消力池底流消能防沖計(jì)算成果對(duì)比

根據(jù)計(jì)算成果，擬定消力池底板頂高程由1288.50m抬高至1292.50m，底板厚度由2.0m縮減至1.5m，消力池長(zhǎng)度由26.0m增加至28.5m，池深由4.5m減至3.0m，尾坎高程同步降低。消力池?cái)嗝鏋榫匦?，底?5m，兩側(cè)邊墻墻頂高程由1296.00m增加至1298.50m。經(jīng)過(guò)復(fù)核計(jì)算，調(diào)整以后的消力池能夠達(dá)到規(guī)范要求的消能防沖效果，并滿足抗沖抗浮計(jì)算要求。優(yōu)化以后的消力池結(jié)構(gòu)布置圖見(jiàn)下圖。

優(yōu)化后的消力池縱剖面圖 (單位：cm)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合詳勘開(kāi)挖中揭露的地質(zhì)情況，對(duì)翁養(yǎng)水庫(kù)消力池布置方案進(jìn)行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

?優(yōu)化方案消力池底板頂高程抬高4.00m，底板厚度縮減0.5m，長(zhǎng)度2.5m，池深減小1.5m，尾坎高程同步降低，消力池?cái)嗝嫒圆捎镁匦螖嗝?，底?5m，兩側(cè)邊墻墻頂高程增高2.50m。

?經(jīng)過(guò)復(fù)核計(jì)算，調(diào)整以后的消力池能夠達(dá)到規(guī)范要求的消能防沖效果，并滿足抗沖抗浮計(jì)算要求。

?優(yōu)化方案減少了基礎(chǔ)開(kāi)挖深度4.5m，減小兩岸山體邊坡工作面的開(kāi)挖深度約2m，不僅使基礎(chǔ)滿足規(guī)范要求，還為左岸閘閥室的布置預(yù)留了充足的空間。

?優(yōu)化后顯著減小了工程量，消力池土方明挖工程量減少1771m3，石方明挖工程量減少4685m3，消力池結(jié)構(gòu)混凝土量減少398m3，共計(jì)減少消力池工程投資42.54%。