葠窩水庫除險加固工程溢流壩閘墩尾部體型優(yōu)化研究

(丹東市三灣水利樞紐及輸水工程建設(shè)管理局，遼寧 丹東 118000)

1 工程概況

葠窩水庫位于遼寧省遼陽市境內(nèi)的太子河干流上，是一座以防洪為主，兼具灌溉、供水、養(yǎng)殖、旅游等綜合功能的大型水利工程[1]。水庫始建于20世紀(jì)70年代，控制流域面積6175m2，設(shè)計庫容7.91億m3。水庫大壩為混凝土重力壩，全長532m，壩頂高程103.50m，最大壩高50.30m，主要由擋水壩段、溢流壩段和電站壩段組成。其中，溢流壩段位于右側(cè)主河床，設(shè)有14個溢流表孔[2]。由于水庫設(shè)計和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，經(jīng)過多年運(yùn)行，目前水庫大壩病害嚴(yán)重、滲漏損失逐年加大，不僅效益發(fā)揮受到影響，一旦汛期發(fā)生重大險情，將會威脅下游居民的生命財產(chǎn)安全。因此，遼寧省和遼陽市積極籌措資金，擬對葠窩水庫進(jìn)行徹底除險加固，工程范圍包括擋水壩段、溢流壩段及電站壩段加固，底孔加固及改造，大壩施工縫、閘門井、通氣孔、廊道等部位裂縫處理，大壩下游河道治理及岸坡防護(hù)，碼頭、交通路、涵、排水溝等改造，溢流壩排水設(shè)備、溢洪道設(shè)備、底孔設(shè)備、電站設(shè)備及安裝，水庫工程安全監(jiān)測系統(tǒng)改造等。

2 模型試驗設(shè)計

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過水工模型試驗研究和分析葠窩水庫溢流壩的水力學(xué)特征，下游河床的沖淤以及河岸沖刷問題，優(yōu)化溢洪道的布置和體型設(shè)計，確定下游消能區(qū)的防護(hù)范圍以及型式，對試驗中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行合理分析和處置，為水庫加固設(shè)計施工提供參考。

2.2 模型設(shè)計和制作

模型的設(shè)計按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行[4]?？紤]葠窩水庫原型的水流特點(diǎn)以及相關(guān)水工建筑物的集合尺寸，結(jié)合試驗精度的實(shí)際需求，確定水工試驗?zāi)Ｐ偷膸缀伪瘸邽?0[5]。結(jié)合葠窩水庫的實(shí)際布置情況，模型的模擬范圍為：上游至壩軸線以上480m，橫向區(qū)溢流壩中心線左右兩側(cè)各280m，最高地形模擬至105.00m高程，略高于壩頂高程。下游模擬至大壩壩軸線以下550m，最高地形模擬至65m，兩側(cè)留有適當(dāng)?shù)挠^測平臺。水工試驗?zāi)Ｐ偷暮哟膊糠掷么u石水泥砂漿砌筑，用1∶2水泥漿抹面，表孔溢洪道用有機(jī)玻璃制作[6]。整個模型的高程誤差控制在0.30mm以內(nèi)，水平誤差控制在10mm以內(nèi)[7]。

2.3 模型沙的選擇

根據(jù)葠窩水庫的地質(zhì)資料，溢流壩段下游的水墊塘基巖的抗沖流速為4～5m/s，下游河道覆蓋層的抗沖流速為2～2.50m/s。利用估算抗沖流速的經(jīng)驗公式進(jìn)行模型沙的粒徑計算[8]，并根據(jù)計算結(jié)果選用粒徑為7mm的白云砂作為模型試驗中的基巖部分抗沖料，下游河道覆蓋層的抗沖料則選用粒徑為1.80mm的白云砂。用于抗沖流速模擬計算的經(jīng)驗公式如下：

(1)

式中v——抗沖流速，m/s；

k——系數(shù)，m0.5/s；

D——抗沖粒徑，mm。

2.4 試驗工況

利用葠窩水庫的設(shè)計和水文資料，設(shè)計出如下三個實(shí)驗工況：工況一為設(shè)計洪水工況，對應(yīng)庫水位為98.95m；工況二為校核洪水工況，對應(yīng)庫水位為98.75m；工況三為消能防沖洪水工況，對應(yīng)庫水位為98.50m。

3 原始設(shè)計方案試驗結(jié)果

3.1 溢流壩原始設(shè)計方案

葠 窩水庫溢流壩段長274.20m，堰頂高程95.80m，設(shè)14個溢流表孔，由14扇12m×12m弧形鋼閘門控制。溢流堰為WES實(shí)用堰，堰面曲線為拋物線，方程為y=0.0537x1.85，堰面后與下游的泄流槽相接，寬度為185.00m，底坡坡度與大壩的下游坡度相同，為1∶0.75，在泄流槽的后部設(shè)有挑流鼻坎，其半徑為30m，挑角為18.19°。

3.2 原始設(shè)計方案試驗結(jié)果

在設(shè)計的三種試驗工況下，對溢流壩原始設(shè)計方案進(jìn)行水工模型試驗。根據(jù)觀察和采集的數(shù)據(jù)可知：溢流壩段的原始設(shè)計方案在泄流能力方面完全滿足要求，說明溢流壩的堰頂高程以及泄流表孔的尺寸設(shè)計是科學(xué)、合理的；在工況一和工況二條件下，溢流堰堰頂?shù)牟糠謪^(qū)域存在負(fù)壓區(qū)，但是負(fù)壓值不大，不會造成明顯的水流空化現(xiàn)象，可以滿足溢流壩的安全要求，泄槽段的壓力變化和沿程水深變化基本一致，且均為正壓，因此堰面曲線與陡坡段的設(shè)計是合理的；水庫溢流壩段上游庫區(qū)的水流流態(tài)比較平穩(wěn)，在正常蓄水位條件下上游庫區(qū)基本為靜水區(qū)，沒有橫向水流產(chǎn)生。溢流壩表孔的進(jìn)水口前水面比較開闊，來流也比較順暢。受到墩尾體型的影響，下游泄槽內(nèi)的水流流態(tài)較差，出現(xiàn)高度約9m左右的水冠。在泄流表孔全開的情況下，泄槽內(nèi)出現(xiàn)對稱分布的折沖水流，而孔口閘門不對稱開放時則表現(xiàn)為不對稱折沖水流，造成水流沖擊邊墻。因此，原設(shè)計方案中的閘墩尾部設(shè)計不合理，需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

4 閘墩尾部體型優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案一

由于葠窩水庫表孔溢洪道中隔墻墩尾下游存在7～8m左右的無水區(qū)，下泄水流相交后產(chǎn)生較高的水冠，造成泄槽內(nèi)的水流流態(tài)較差。因此，優(yōu)化設(shè)計過程中在墩尾下游設(shè)置由半徑為8m的兩個半圓弧構(gòu)成的尖頭閘墩，水平長度設(shè)計為5.62m，得到優(yōu)化設(shè)計方案一。

經(jīng)過模型試驗，水流會貼著尖頭閘墩的圓弧流向下游，但是水冠問題并沒有解決，雖然水冠出現(xiàn)在下游且高度有所降低，為7m左右，但泄槽內(nèi)的水流流態(tài)依然較差，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

4.2 優(yōu)化方案二

由方案一優(yōu)化試驗結(jié)果可知：在閘墩的墩尾設(shè)計為圓弧面體型能夠在一定程度上降低泄槽內(nèi)的水冠高度，改善水流流態(tài)，因此，在方案一優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加尖頭閘墩半圓弧的半徑，由方案一中的8m增加到10m，使其曲面與下泄水流的流線更為吻合，通過減小水流匯流的夾角，降低泄槽內(nèi)的水冠高度。為了不影響溢洪道的整體設(shè)計，將墩尾末端向上游移動1m，同時在水面線以上部位仍設(shè)計為矩形斷面。

對優(yōu)化方案二進(jìn)行模型試驗，結(jié)果顯示：泄槽內(nèi)的水冠高度進(jìn)一步降低至5.50m左右，泄槽內(nèi)的水流流態(tài)進(jìn)一步改善，由于水冠的落點(diǎn)位于挑流鼻坎的上游，并不會對鼻坎的水舌形態(tài)造成明顯影響。

4.3 優(yōu)化方案三

對方案三進(jìn)行水工模型試驗，結(jié)果顯示：中墩兩側(cè)的泄流表孔開度不同時，墩尾下游形成的水翅會向開口小的一側(cè)偏移，三種工況下的水冠落點(diǎn)均在挑流鼻坎的上游，不會對鼻坎的水舌形態(tài)造成明顯影響。泄槽內(nèi)形成的水冠高度較低，為3.50m左右，但是厚度較小，同時會左右搖擺，造成泄槽內(nèi)水花的濺水范圍較大，水流形態(tài)亦不理想。

4.4 優(yōu)化方案四

由方案三可知：墩尾流線型變化越大，水流的交匯點(diǎn)就距離墩頭末端越遠(yuǎn)，泄槽內(nèi)的水流流態(tài)就越差，基于上述考慮，試驗中將墩頭直接設(shè)計成長度較小的半圓形，得到優(yōu)化方案四。

對方案四進(jìn)行模型試驗，結(jié)果顯示：水流可以在墩頭下游3m左右的位置實(shí)現(xiàn)交匯，但是受泄槽坡度較大的影響，仍舊產(chǎn)生高度較大的水冠，起落點(diǎn)位于挑流鼻坎上游20m的位置，對挑流鼻坎出流水舌基本沒有影響。

4.5 優(yōu)化方案五

綜合上述各個方案的優(yōu)劣和問題，在方案二的基礎(chǔ)上延長中墩的長度，并向下游延長6.2m，使其末端位于摻氣挑坎末端，得到優(yōu)化方案五。

對優(yōu)化方案五進(jìn)行模型試驗，結(jié)果顯示：由于隔墩的末端延伸到摻氣挑坎的末端，因此，能夠有效阻斷相鄰水流的交匯碰撞，在三種工況下均沒有出現(xiàn)水冠。當(dāng)相鄰的泄流表孔開度不同時，泄槽內(nèi)也沒有產(chǎn)生濺水現(xiàn)象，由水冠造成的泄槽內(nèi)水流流態(tài)較差的問題徹底得到解決，因此，將優(yōu)化設(shè)計方案五作為表孔溢洪道重建工程的閘墩下游墩頭的推薦方案。

5 結(jié) 論

本文以葠窩水庫除險加固工程原設(shè)計方案為研究起點(diǎn)，通過物理模型試驗的方法，對原設(shè)計方案下的葠窩水庫溢洪道水流水力特征進(jìn)行研究，得出原設(shè)計方案存在的問題以及閘墩尾部體型優(yōu)化的必要性；針對閘墩尾部體型存在的問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終的優(yōu)化設(shè)計方案下泄槽段水冠消失，沒有濺水現(xiàn)象，水流平穩(wěn)，可以作為工程設(shè)計的推薦方案。