吳松寶
(上海市政設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))第六設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 合肥 230000)
肯尼亞Karimenu II供水項(xiàng)目坐落于肯尼亞的中心?。–entral Province),距首都 Nairobi大約75 km。主要工程內(nèi)容包括:總庫容為2 654萬m3的水庫,輸水管線60.6 km,7萬t/d的水廠。工程合同總價(jià)為2.359億美元,項(xiàng)目資金85%為中國貸款,15%為自籌。中國航空技術(shù)進(jìn)出口總公司(AVIC)和上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))總公司(SMEDI)聯(lián)合體承接了該供水項(xiàng)目。
水庫正常運(yùn)用設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇,入庫洪峰流量為290 m3/s;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為最大可能洪水PMF,相應(yīng)的洪水入庫洪峰流量為654 m3/s。溢洪道消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇(P=3.33%),30年一遇洪水入庫洪峰流量為215 m3/s,相應(yīng)出庫流量為192 m3/s。大壩樞紐為Ⅲ等工程,溢洪道為3級建筑物。溢洪道位于左壩肩,溢洪道下游消能防沖設(shè)施遠(yuǎn)離大壩,其局部破壞不會影響大壩安全。溢洪道的消能防沖設(shè)施的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)取可能最大洪水PMF。
溢洪道位于壩左岸岸坡,坡頂高程1 855.70 m,坡腳高程1 806.00 m,地表坡度1∶5.3。地表地層為上更新統(tǒng)坡洪積高液限粉土層,厚5.0~14.0 m,下伏第三系火山角礫巖、熔結(jié)凝灰?guī)r,全風(fēng)化帶厚度2.0~20.0 m,強(qiáng)風(fēng)化帶厚度1.5~6.5 m。第三系火成巖(AV)主要由軟質(zhì)的火山角礫巖構(gòu)成,中下部有軟質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r層。巖體全風(fēng)化帶位于Q3土層下,巖體結(jié)構(gòu)均已破壞,呈土狀,該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)經(jīng)桿長修正后擊數(shù)為9.9~39.3擊,平均擊數(shù)為19.5擊,厚度2.0~20.5 m,土層與混凝土間摩擦系數(shù)地質(zhì)建議值為0.28~0.30;強(qiáng)風(fēng)化帶厚度1.5~6.5 m,弱風(fēng)化帶厚度2.8~7.0 m。
溢洪道布置推薦方案為:溢洪道控制段采用平底寬頂堰有閘控制,閘孔凈寬度24 m,閘堰頂高程1 852.50 m。溢洪道控制段后接泄槽,根據(jù)水流數(shù)值模擬分析,及消能方式方案比較,泄槽采用1∶5.0,臺階式消能。泄槽后接消力池,采用底流消能方式。
溢洪道控制段閘室后的泄槽,用于閘孔出流流態(tài)的調(diào)整,以便閘孔出流與下游泄槽連接,該段寬度由閘室下游處的26.4m,逐步收縮至20m寬。邊墻高度,由7.0m減小到4.50m。
泄槽垂直高差52.0 m,寬度20 m,泄槽采用臺階消能,以控制流速,滿足不空蝕要求。泄槽坡度1∶5.0,采用鉆孔樁基礎(chǔ)。
消力池長度50.0 m,寬度20.0~30.0 m,深度5.0 m,邊墻高度11.0 m。經(jīng)過消能計(jì)算和數(shù)值模擬,消力池長度、深度滿足各工況泄流的消能要求。
長度60 m,約等于12倍下游水深。本次河道兩岸為土質(zhì)邊坡,挑坎下游巖石抗壓強(qiáng)度較低。因此,消力池下游60.0 m范圍內(nèi)出水渠道邊坡采用防護(hù)石籠護(hù)砌。
設(shè)計(jì)中對以上溢洪道布置及消能方式進(jìn)行了水工模型試驗(yàn),并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對溢洪道進(jìn)水閘導(dǎo)墻、泄槽邊墻高度進(jìn)行了修正。溢洪道過流能力、消能效果滿足設(shè)計(jì)要求。
根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253-2000),閘門全開時(shí),泄流能力按堰流公式計(jì)算,計(jì)算的水位流量關(guān)系成果見表1。
表1中計(jì)算溢洪道過流能力與調(diào)洪計(jì)算采用值比較:相應(yīng)于同一庫水位時(shí)的計(jì)算最大過流量與調(diào)洪計(jì)算時(shí)的采用值接近。
表1 閘門全開時(shí)計(jì)算的水位流量關(guān)系
水面線采用PMF校核工況,水位1 857.72 m,閘門全開計(jì)算。推算閘墩末端至消力池之間的陡坡面上的水面曲線,以此確定導(dǎo)水墻的高度。本工程泄槽為臺階式消能,目前無理論公式計(jì)算水面線。采用數(shù)值模擬計(jì)算。采用三維CFD程序(Computational Fluid Dynamics)進(jìn)行數(shù)值模擬,溢洪道壁粗糙度系數(shù)取0.013。水面線計(jì)算成果見表2。
表2 斜坡水面線
消力池按下泄流量458 m3/s(PMF)進(jìn)行消能設(shè)計(jì),采用底流消能。自由水躍共軛水深可按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式計(jì)算。經(jīng)計(jì)算:躍后水深為9.11 m,水躍長度為55 m,消力池長度為44 m、池深為3.8 m,過坎落差為0.8 m。取消力池池長50 m、池深5 m。
為了驗(yàn)證泄水建筑物布置的可行性和合理性,采用三維CFD程序?qū)σ绾榈浪鬟M(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算成果見圖1、圖2,三維分析以PMF工況為例。
圖1 流速剖面圖(初期工況)
由三維仿真模擬結(jié)果:整個(gè)泄流過程相對穩(wěn)定,泄槽流速小于20 m/s。
圖2 流速剖面圖(泄流穩(wěn)定后,最大流速18.3 m/s)
本模型按正態(tài)模型設(shè)計(jì),模型比尺為40。模型試驗(yàn)主要結(jié)論:1)設(shè)計(jì)洪水(校核洪水)控制庫水位為 1 855.92 m(1 857.72 m),下游敞泄,實(shí)測溢洪道下泄流量為 243.18 m3/s(455.23 m3/s),溢洪道泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。2)流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí),消力池消能效果良好,溢洪道沿程流態(tài)良好;流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí),溢洪道臺階段水流流態(tài)良好,消力池段水流沖出消力池,偏短。根據(jù)規(guī)范規(guī)定,本工程消能防沖的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水,因此,認(rèn)為消力池結(jié)構(gòu)尺寸滿足規(guī)范要求。
水流出收縮段后有輕微沖擊波產(chǎn)生,沖擊波范圍約50 m。收縮段末端0+38斷面處平均流速為7.70 m/s,第一級泄槽末端0+52斷面處平均流速為9.98 m/s,泄槽末端水躍前斷面樁號為0+280,平均流速為14.29 m/s,泄槽臺階段消能率為79.5%。PMF工況,泄槽上游水深1.72~1.6 m。溢洪道全程均為正壓。
Karimenu II供水項(xiàng)目水庫溢洪道在設(shè)計(jì)中對布置方案、消能方式等進(jìn)行充分的對比分析,并通過數(shù)值模擬分析及水工模型試驗(yàn)的驗(yàn)證,起到了很好設(shè)計(jì)優(yōu)化等作用,設(shè)計(jì)通過充分分析,確定溢洪道的最終布置。