澤雅水庫(kù)增設(shè)泄水隧洞工程出口消能設(shè)計(jì)

王超逸

（溫州市澤雅水庫(kù)管理站，浙江 溫州 325000）

1 工程概況

澤雅水庫(kù)位于溫州市甌海區(qū)澤雅鎮(zhèn)林岙村，是一座以供水、防洪為主，兼顧灌溉等綜合效益的中型水庫(kù)。現(xiàn)狀澤雅水庫(kù)樞紐工程主要由大壩、溢洪道、引水隧洞等組成。澤雅水庫(kù)樞紐工程平面布置見(jiàn)圖1。水庫(kù)大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩[1]，壩頂高程113.77 m，壩頂長(zhǎng)度308.00 m，最大壩高78.80 m。溢洪道位于大壩右岸，距右壩肩90.00 m，凈寬36.00 m，為設(shè)閘門(mén)控制的開(kāi)敞式正槽河岸溢洪道，控制段堰頂高程101.97 m，控制段分為3孔，單孔凈寬12.00 m，堰頂設(shè)3扇弧形閘門(mén)控制過(guò)流，設(shè)計(jì)洪水最大下泄流量1 850 m3/s，校核洪水最大下泄2 631 m3/s。

圖1 澤雅水庫(kù)樞紐工程平面布置圖

水庫(kù)因未設(shè)放空設(shè)施，水庫(kù)泄洪的唯一方式就是通過(guò)溢洪道泄洪，調(diào)度手段單一，無(wú)法有效、及時(shí)地放低水位，無(wú)法滿(mǎn)足面板檢修、清淤的水位需求，給水庫(kù)的應(yīng)急處置、大壩的安全檢修等運(yùn)行管理帶來(lái)不便。澤雅水庫(kù)增設(shè)泄水隧洞工程有利于水庫(kù)放空維護(hù)，保障區(qū)域飲用水安全，防汛調(diào)度等綜合利用功能。

澤雅水庫(kù)新增放空設(shè)施工程由原施工導(dǎo)流洞改建，改建后泄水隧洞由進(jìn)水口、豎井式檢修閘門(mén)井、放空隧洞、出口工作閘門(mén)段、消能段組成。進(jìn)洞口位于左壩肩上游約210.00 m處，底高程53.00 m；出洞口位于左壩肩下游約115.00 m處，底高程43.50 m。泄水隧洞總長(zhǎng)405.50 m，其中隧洞段長(zhǎng)度為378.50 m。

隧洞汛期水頭高，流速快，流量大，出口處河床地質(zhì)條件差，河道狹窄且在溢洪道挑流消能沖坑下游，出口消能防沖設(shè)施布置受到很大限制[2]。隧洞出口消能防沖問(wèn)題關(guān)系到導(dǎo)流隧洞安全穩(wěn)定運(yùn)行和下游岸坡的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)方案必須技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 挑流消能（方案1）

弧門(mén)閘室段緊靠泄洪洞出口布置，閘室長(zhǎng)12.00 m，樁號(hào)原導(dǎo)0 + 378.00 ～ 0 + 390.00 m，底高程43.50 m。閘門(mén)采用露頂式弧形鋼閘門(mén)，閘門(mén)尺寸為3.20 m×3.20 m。閘室后接挑流消能，挑流消能段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度15.00 m，樁號(hào)原導(dǎo)0 + 390.00 ～ 0 + 405.00 m，采用矩形斷面，底寬由3.20 m漸變至6.00 m。堰面反弧半徑R = 30.00 m，挑射角為20°，鼻坎高程為45.31 m。底板采用厚1 000 mm的C30HF抗沖磨面層+厚2 000 mm的C25鋼筋混凝土，邊墻采用C30F50混凝土結(jié)構(gòu)。泄水隧洞出口挑流消能縱剖面見(jiàn)圖2。

圖2 泄水隧洞出口挑流消能縱剖面圖

2.2 底流消能（方案2）

弧門(mén)出口消能段緊靠泄洪洞出口布置，閘室長(zhǎng)15.00 m，底高程43.50 m。底板、頂坎及弧門(mén)支撐梁采用C30混凝土。閘門(mén)采用露頂式弧形鋼閘門(mén)，閘門(mén)尺寸為3.20 m×3.20 m，支鉸采用圓柱鉸，支鉸中心高程46.50 m。閘墩厚2.00 m，為C30F50混凝土，出口消能段底板采用厚1 000 mm的C30HF抗沖磨面層+厚2 000 mm的C25鋼筋混凝土。閘室后接消力池底流消能。樁號(hào)0 + 393.00 m處設(shè)置摻氣槽，樁號(hào)原導(dǎo)0 + 393.00 ～ 0 + 413.39 m為渥齊曲線(xiàn)段，曲線(xiàn)方程為y = 0.006 130 5 x2，后接1:4.0斜坡段。擴(kuò)散段底板采用厚800 mm 的C30HF抗沖磨面層+厚1 500 mm 的C25鋼筋混凝土。樁號(hào)原導(dǎo)0 + 425.195 ～ 0 + 475.195 m為消力池水平段，矩形斷面，長(zhǎng)50.00 m，池深6.00 m，寬10.00 m。底板高程38.00 m，消力池邊墻考慮超高，邊墻頂高程為53.00 m，消力池內(nèi)布置3排消力墩作為輔助消能工。消力池段底板采用厚800 mm的C30HF抗沖磨面層+厚1 500 mm的C25鋼筋混凝土，邊墻采用C30F50混凝土結(jié)構(gòu)。泄水隧洞出口底流消能縱剖面見(jiàn)圖3。

圖3 泄水隧洞出口底流消能縱剖面圖

3 水工模型設(shè)計(jì)與制作

3.1 模型設(shè)計(jì)

（1）模型設(shè)計(jì)依據(jù)重力相似準(zhǔn)則，即弗汝德數(shù)相似準(zhǔn)則[3]，按幾何相似正態(tài)模型設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)要求，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀伪瘸週r =25.00。相應(yīng)其它比尺見(jiàn)表1。

表1 模型比尺表

3.2 模型制作

（1）試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樾顾矶闯隹谙芙ㄖ锝Y(jié)構(gòu)及其下游部分河道的模擬長(zhǎng)度。泄水隧洞出口消能結(jié)構(gòu)模型采用厚10 mm的有機(jī)玻璃材料制作，便于觀察和拍攝水流流態(tài)。

（2）模型中采用長(zhǎng)×寬×高= 6.80 m×3.00 m×3.00 m的鋼筋混凝土貯水池模擬泄水隧洞的出口水位，試驗(yàn)設(shè)置貯水池貯水，采用循環(huán)供水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)由貯水池、水泵、供水管道及平水箱等構(gòu)成。貯水池內(nèi)的水由水泵抽出，經(jīng)輸水管道注入平水箱，平水箱給模型供水，試驗(yàn)尾水經(jīng)回水管道流入貯水池。

在貯水池對(duì)應(yīng)43.50 m高程處連接泄水隧洞的出口消能段。在貯水池內(nèi)做一道花墻，消除貯水池進(jìn)水管進(jìn)水時(shí)水流的波動(dòng)。利用測(cè)針和貯水池進(jìn)水管道電磁流量計(jì)控制貯水池水位[4-5]。

（3）河床模擬根據(jù)河床地勘資料，確定模型河床粒徑級(jí)配及層深。

（4）河道水位采用柵欄控制。

4 水工模型試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)工況

（1）水庫(kù)水位H = 101.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =256.14 m3/s，下游河道水位42.50 m；

（2）水庫(kù)水位H = 97.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =246.74 m3/s，下游河道水位42.20 m；

（3）水庫(kù)水位H = 59.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =128.34 m3/s，下游河道水位42.20 m；

4.2 挑流消能試驗(yàn)

泄水隧洞挑流消能試驗(yàn)成果與設(shè)計(jì)值比較見(jiàn)表2。

表2 泄水隧洞挑流消能試驗(yàn)成果與設(shè)計(jì)值比較表

泄水隧洞在實(shí)際運(yùn)用中，主要用于水位低于101.97 m時(shí)水庫(kù)泄流，沖坑形成的主要工況應(yīng)是以101.97 m以下水庫(kù)泄流過(guò)程為主。經(jīng)過(guò)不同下泄流量的長(zhǎng)時(shí)間（模型防水試驗(yàn)30 h以上）沖刷，最終形成沖坑深9.43 m，沖坑最深點(diǎn)距挑流鼻坎水平距離約42.50 m，沖坑最深處坑面寬約20.00 m。水庫(kù)水位H = 101.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =256.14 m3/s時(shí)挑流消能成果見(jiàn)圖4。

圖4 挑流消能成果圖

4.3 底流消能試驗(yàn)

（1）在水庫(kù)水位101.97 m，泄水隧洞下泄流量為256.14 m3/s時(shí)，消力池的躍前水深hc =2.68 m，躍后水深h^′′=10.68 m。設(shè)計(jì)消力池深度為6.00 m，消力池深度不夠，水躍溢出池外，達(dá)不到消能效果，將會(huì)對(duì)下游河床產(chǎn)生沖刷。

（2）在水庫(kù)水位97.97 m，泄水隧洞下泄流量為246.74 m3/s時(shí)，消力池的躍前水深hc =2.58 m，躍后水深h^′′ = 10.29 m。消力深度為6.00 m，消力池深度不夠，水躍溢出池外，達(dá)不到消能效果，將會(huì)對(duì)下游河床產(chǎn)生沖刷。

（3）在水庫(kù)水位59.97 m，泄水隧洞下泄流量為128.34 m3/s時(shí)，消力池的躍前水深hc =1.34 m，躍后水深h^′′ = 5.35 m。消力深度為6.00 m，消力池深度滿(mǎn)足要求。

4.4 方案比較

通過(guò)挑流消能模型試驗(yàn)觀測(cè)，挑流消能沖坑最深處距挑流建筑物的距離為42.50 m，沖坑深為9.43 m，其值為沖坑深的4.4倍，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，安全距離宜為坑深的3 ～ 6倍，故沖坑不致危及挑流鼻坎的安全。通過(guò)觀測(cè)模型試驗(yàn)，泄水隧洞挑流消能形成的沖坑最遠(yuǎn)端離河岸最近距離約14.00 m左右，位于溢洪道形成的沖坑下游約50.00 m，兩者互不干擾。挑流消能對(duì)河岸的沖刷影響較小，工程運(yùn)行初期可以不對(duì)河岸進(jìn)行襯護(hù)，可視今后發(fā)展情況而定。

原挑流消能方案的消能段側(cè)墻為擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散角θ =6°1′42″。過(guò)坎頂后側(cè)墻順流向采用直墻結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在擴(kuò)散側(cè)墻基礎(chǔ)上，向內(nèi)收縮角θ = 6°1′42″。挑流消能水工模型試驗(yàn)還顯示若邊墻擴(kuò)散角在鼻坎末端不作收縮，僅出口挑流水舌形狀有變化，沖坑邊緣最遠(yuǎn)端離河岸最近距離約15.20 m左右，位于溢洪道形成的沖坑下游約48.00 m，兩者互不干擾。拋射水舌在平面上的擴(kuò)散自由發(fā)展，進(jìn)一步減小入射水股的單寬流量，使得沖坑形狀從上游向下游的擴(kuò)散性更發(fā)展，降低入射水股對(duì)河床的沖刷。

受地形、地質(zhì)條件的影響，泄水隧洞出口消能若采用底流消能，消能建筑物軸線(xiàn)與下游河道水流方向形成較大夾角，消力池結(jié)構(gòu)幾乎全部建于河床上，攔斷河道，河床上消力池邊墻高出河床4.00 m，既影響溢洪道洪水下泄，消力池的消能效果也不夠好。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)泄水隧洞出口消能段水工模型試驗(yàn)的觀測(cè)與數(shù)據(jù)分析，否定底流消能方案而推薦采用挑流消能的設(shè)計(jì)方案。泄水隧洞工程完工3 a來(lái)運(yùn)行情況良好，合理的出口消能設(shè)計(jì)使泄水隧洞在幾次汛期開(kāi)閘泄水后未發(fā)現(xiàn)堰面氣蝕現(xiàn)象，下游河床也未發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的沖刷，為泄水隧洞運(yùn)行的安全性與可靠性提供保障。