水泉水閘底板溢流堰設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孫悅婷

（喀左縣水利局，遼寧 喀左 122300）

1 工程概況

水泉水閘工程位于大凌河中上游，遼寧省喀左縣境內(nèi)，流域面積5850km2。渠首攔河閘總長(zhǎng)327m，樞紐布置為：從左至右依次由渠道及電站進(jìn)水閘、沖砂閘、水力自動(dòng)翻板閘、副壩組成。 設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇；設(shè)計(jì)灌溉面積1000hm2；電站裝機(jī)容量600kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量264萬(wàn)kWh。 是一座以灌溉為主，兼顧發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游為一體的綜合利用大（Ⅱ）水利樞紐工程。

2 水閘底板溢流堰設(shè)計(jì)

2.1 溢流堰設(shè)計(jì)思路

水泉水閘主壩采用2.7m （高）×7.0m（寬）水力自動(dòng)翻板閘門，閘下底板采用溢流堰；設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，相應(yīng)流量4080m2/s；閘頂高程257.50m，設(shè)計(jì)溢流堰上游水位應(yīng)小于261.00m；主壩下游消能建筑物順?biāo)鏖L(zhǎng)度不大于60m。 水閘底板溢流堰主要型式有實(shí)用堰、寬頂堰。消能的主要形式有挑流、底流、面流。為滿足水力自動(dòng)翻板閘結(jié)構(gòu)布置要求，水閘底板采用寬頂堰、挑流消能較合適。由于水泉水閘位于覆蓋層較淺（6m）的軟基上，在保證穩(wěn)定的條件下，本次設(shè)計(jì)思路是通過(guò)上游黏土鋪蓋延長(zhǎng)滲徑，將水閘底板溢流堰下游齒墻改為坐落在巖石基礎(chǔ)上，其齒墻頂部與挑流坎連接，將齒墻設(shè)計(jì)成仰斜式連續(xù)混凝土防滲墻。根據(jù)有關(guān)資料分析，仰斜式比俯斜式擋土墻土壓力系數(shù)降低30%以上，因此可以增加堰體的抗滑穩(wěn)定系數(shù)，以減少齒墻的工程量，有效防止了下游回旋流對(duì)溢流堰的淘刷。

水閘主壩由上游黏土鋪蓋、 水閘底板混凝土溢流堰、水力自動(dòng)翻板閘門、溢流堰混凝土基礎(chǔ)4部分組成。上游黏土鋪蓋長(zhǎng)16m，厚0.6m。溢流堰順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)11.5m，其中挑流段長(zhǎng)4.5m，挑坎反弧半徑R=2.23m，挑射角=300；閘頂高程257.5m；溢流堰頂高程254.8m； 上游齒墻底高程250.0m； 下游齒墻底高程245.0m。 溢流堰剖面如圖1。

圖1 溢流堰剖面

2.2 水閘主壩長(zhǎng)度及泄量

工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，流量4080m3/s；閘頂高程257.50m，設(shè)計(jì)要求溢流堰上游水位小于261.00m。 工程運(yùn)行時(shí)，閘前淤至與溢流堰頂齊平，相當(dāng)于無(wú)底坎的寬頂堰，溢流堰流量系數(shù)采用綜合流量系數(shù)，根據(jù)其他工程經(jīng)驗(yàn)暫定0.35。 計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 主壩寬度

從表1計(jì)算結(jié)果看出，水閘主壩長(zhǎng)170.70m，閘門25孔。 考慮泄量安全及管理方便，選閘門26孔，水閘底板溢流堰長(zhǎng)182.00m。 設(shè)計(jì)上游水位260.75m（滿足設(shè)計(jì)上游水位小于261.00m的要求），設(shè)計(jì)下游水位257.72m，設(shè)計(jì)泄流量4080m3/s，設(shè)計(jì)單寬流量22.42m2/s。

2.3 溢流堰

正常上游水位257.50m，正常下游水位251.0m；設(shè)計(jì)上游水位260.75m，設(shè)計(jì)下游水位257.72m。 河床覆蓋層平均6.0m，覆蓋層為砂卵石。 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定下游齒墻不開(kāi)挖至巖石，按砂卵石軟基礎(chǔ)計(jì)算。即下游齒墻基礎(chǔ)底高程251m。 計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 溢流堰穩(wěn)定計(jì)算成果

從表2結(jié)果看出，溢流堰各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，溢流堰斷面偏于安全，本次采用此斷面。

2.4 溢流堰消能

堰頂高程254.8m，挑坎頂高程253.5m，河床高程250.0m，反弧半徑R=223cm，挑射角θ=30°，安全沖刷后坡ic為1/3（砂卵石河床）。 計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 溢流堰挑流消能計(jì)算成果

從表3計(jì)算結(jié)果看出，沖坑深度小于安全沖坑深，溢流堰齒墻座落在巖基上是安全的。另外為了加強(qiáng)水閘底板溢流堰穩(wěn)定及下游局部抗沖刷能力，增加溢流堰的安全性，設(shè)計(jì)中在溢流堰下游拋填塊石。在保證主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，采用挑流消能型式可以使消能部分更簡(jiǎn)單，且滿足了閘下游消能建筑物順?biāo)鏖L(zhǎng)度不大于60m的要求。

3 水工模型試驗(yàn)與實(shí)型觀測(cè)數(shù)據(jù)

3.1 水工模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)

水泉水閘工程設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證工程水力計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，該工程的泄量計(jì)算下游水流流態(tài)進(jìn)行水工模型試驗(yàn)。 模型試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 水工模型試驗(yàn)成果

由表4結(jié)果可看出，在設(shè)計(jì)泄流量4080m3/s時(shí)，試驗(yàn)水位260.63m，比設(shè)計(jì)水位260.75m低0.12m；試驗(yàn)流量系數(shù)0.360，比設(shè)計(jì)流量系數(shù)大0.01。 水閘右擋土墻斷面沿程水面線的測(cè)定和溢流堰下游水流流態(tài)的觀測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)相符。右邊墻上游流速2.5m/s，下游回流區(qū)流速0.5m/s。由于右邊墻上游流速較大，施工中，分別對(duì)右邊墻上游及土壩護(hù)坡進(jìn)行了加固。

3.2 實(shí)型觀測(cè)數(shù)據(jù)

工程運(yùn)行20多年來(lái)，已經(jīng)歷不同洪水考驗(yàn)，其中較大洪水3 次，特別是2012 年洪峰流量達(dá)4004.29m3/s（接近工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇流量4080m3/s）。對(duì)3次洪水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)型觀測(cè)，實(shí)型觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如表5。 繪制上游水位H與流量Q曲線如圖2。

表5 實(shí)型觀測(cè)數(shù)據(jù)成果

圖2 上游水位H與流量Q曲線

由表5結(jié)果可看出，泄流量4004m3/s時(shí)，實(shí)測(cè)水位260.45m，流量系數(shù)0.366。 假設(shè)設(shè)計(jì)泄流量4080m3/s時(shí)，流量系數(shù)0.366（實(shí)際流量系數(shù)應(yīng)該≥0.366），上游水位應(yīng)260.57m。 比設(shè)計(jì)水位260.75m低0.18m，比模型試驗(yàn)水位260.63m低0.06m。 在設(shè)計(jì)泄流量時(shí)，堰上水頭5.95m，設(shè)計(jì)水位與實(shí)測(cè)水位相差3.0%，設(shè)計(jì)水位與試驗(yàn)水位相差1.8%。 設(shè)計(jì)下游水位257.72m，實(shí)測(cè)下游水位為258.15m。 原因是下游河道現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)時(shí)有所改變，實(shí)測(cè)下游水位比設(shè)計(jì)下游水位增加0.43m。 設(shè)計(jì)下游沖坑深4.53m，沖坑至建筑物距離22.09m，實(shí)測(cè)下游沖坑深1.35m，沖坑至建筑物距離為19.50m。

沖坑深及距離出現(xiàn)誤差的主要原因，是設(shè)計(jì)時(shí)溢流堰按砂卵石基礎(chǔ)計(jì)算，施工中，為解決水閘底板溢流堰穩(wěn)定及下游局部抗沖刷問(wèn)題，在齒墻下游拋填了塊石，另外下游實(shí)測(cè)水位增高，增加了水墊厚度，致使實(shí)測(cè)下游沖坑深及沖坑至建筑物的距離減少。 水閘擋土墻斷面沿程水面線的測(cè)定和溢流堰下游水流流態(tài)的觀測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)及試驗(yàn)相符，如圖3。右邊墻上游流速2.1m/s，比模型試驗(yàn)小0.4m/s，下游回流區(qū)流速0.4m/s，比模型試驗(yàn)小0.1m/s。 因施工中分別對(duì)右邊墻上游及土壩護(hù)坡進(jìn)行了加固，故右邊墻上游及土壩護(hù)坡抗沖能力偏于安全。

圖3 擋土墻斷面沿程水面線

從水工模型試驗(yàn)與實(shí)型觀測(cè)數(shù)據(jù)分析看，水閘工程的泄量、 消能計(jì)算及下游水流流態(tài)主要技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)相符，且設(shè)計(jì)結(jié)果是偏于安全的。工程完工后，根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)范，對(duì)水閘底板溢流堰進(jìn)行水平、豎向位移觀測(cè)，均小于規(guī)范規(guī)定值。 水力自動(dòng)翻板閘運(yùn)用自如，泄流安全穩(wěn)定，消能效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 水泉水閘底板溢流堰的優(yōu)點(diǎn)

4.1 降低了工程造價(jià)

水泉水閘溢流堰采用挑流式消能形式，比底流式消能形式節(jié)省了消力池、海漫及邊墻等建筑物，同時(shí)減少了底流式消能建筑物占地。 比底流式消能形式減少工程量60%，減少直接投資70%。 另外可節(jié)省建筑物占地等費(fèi)用，有效降低了工程造價(jià)。

4.2 提高了經(jīng)濟(jì)效益

將水閘底板溢流堰下游齒墻坐落在巖石基礎(chǔ)上，將齒墻設(shè)計(jì)成仰斜式連續(xù)混凝土防滲墻。有效攔蓄了地下水，經(jīng)測(cè)算可提高利用徑流量30%以上。 提高徑流利用率，增加了灌溉、發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 減少工程運(yùn)行費(fèi)用

水閘采用挑流式消能形式，底板溢流堰下游齒墻埋入地下，解決了底流式消能形式建筑物工程量大、抗凍性差及維修費(fèi)用高等缺點(diǎn)，節(jié)省了工程的看護(hù)、養(yǎng)護(hù)等費(fèi)用。

5 結(jié)語(yǔ)

水泉水閘工程為滿足工程效益、 淹沒(méi)及占地等條件下，設(shè)計(jì)出一個(gè)新型的水閘底板溢流堰結(jié)構(gòu)型式。工程經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)型觀測(cè)，證明了水泉水閘底板溢流堰設(shè)計(jì)與應(yīng)用很好的解決水閘的泄量、消能問(wèn)題，在理論研究與實(shí)踐應(yīng)用都是成功的。在降低工程造價(jià)、提高經(jīng)濟(jì)效益、減少工程運(yùn)行費(fèi)用方面具有明顯效果，為在覆蓋層較淺的軟基上修建同類水利工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的推廣價(jià)值。