a型駝峰堰在大型水庫(kù)中的應(yīng)用

邵紅艷

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

黔中水利樞紐工程——平寨水庫(kù)岸邊開(kāi)敞式溢洪洞為1級(jí)建筑物，由引渠段、控制段、收縮段、洞身泄槽段及挑流鼻坎組成，水平總長(zhǎng)約976.8 m，溢洪洞按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，5 000年一遇洪水校核。最大下泄流量1 634 m3/s，控制段設(shè)置3孔7.0×10(寬×高)的弧形閘門。

1 地形地質(zhì)條件

平寨水庫(kù)溢洪洞明挖段(含控制段)位于右岸一沖溝洼地內(nèi)，地表高程在1 340 m左右，距離岸坡約400 m，出露地層為三疊系永寧鎮(zhèn)組第四段T1yn4的白云巖、泥質(zhì)白云巖和溶塌角礫巖,巖層產(chǎn)狀315°∠15°，地形坡度10°～20°，為順向坡，該段鉆孔巖心破碎，多呈砂狀、碎塊狀，其工程地質(zhì)條件較差。

2 溢流堰設(shè)計(jì)

2.1 堰型選擇

堰(閘)型式可采用開(kāi)敞式或帶胸墻的實(shí)用堰、寬頂堰、駝峰堰等，具體應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件、水力條件、運(yùn)用要求及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等綜合比較選用。本工程因地質(zhì)條件較差，不適應(yīng)建高堰，宜采用低堰，同時(shí)本工程下泄流量也較大，堰型的選擇需考慮以上兩個(gè)因素。而駝峰堰是一種堰高很小的復(fù)合圓曲線剖面低堰，適用于軟弱地基條件，且流量系數(shù)也能達(dá)到0.4～0.46之間，同時(shí)駝峰堰的整體穩(wěn)定性和斷面應(yīng)力情況較好。根據(jù)地質(zhì)地形條件及泄流要求，黔中水利樞紐工程的溢洪洞選用駝峰堰泄流。

2.2 堰面曲線設(shè)計(jì)

駝峰堰是一種較好的低堰堰型，適于修建在條件較差的基礎(chǔ)上。堰的剖面一般由2～3段圓弧組成，圓弧之間有的還是直線段。但駝峰堰目前還未定型剖面，規(guī)范給出兩種特定型式，即a型和b型，其特性見(jiàn)表1。

表1中Hd為定型設(shè)計(jì)水頭，對(duì)低堰(P1<1.33Hd)可按堰頂最大水頭Hmax的65%～85%計(jì)算，本工程采用70%。

表1 駝峰堰體型參數(shù)表

結(jié)合地形地質(zhì)條件，上游面及堰頂參照規(guī)范參數(shù)，結(jié)合有關(guān)工程實(shí)例的模型試驗(yàn)觀測(cè)流量系數(shù)最好的體型綜合取值，下游銜接采用直線及反弧進(jìn)行斜坡連接。通過(guò)計(jì)算，a型流量系數(shù)較b型略大一些，所以本工程堰面曲線主要采用a型參數(shù)，同時(shí)曲線擬定結(jié)合地形布置條件作適當(dāng)調(diào)整，選定的曲線見(jiàn)表2，布置見(jiàn)圖1。

圖1 駝峰堰堰面曲線布置

2.3 泄流能力計(jì)算

駝峰堰的泄流能力計(jì)算公式：

式中：Q為流量；B為溢流堰總寬；H0為計(jì)入行近流速的堰上水頭；ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)。

根據(jù)采用a型駝峰堰形式，m按下列公式計(jì)算：

當(dāng)P1/H0≤0.24時(shí)，m=0.385+0.171(P1/H0)0.657

當(dāng)P1/H0>0.24時(shí)，m=0.414 (P1/H0)-0.065 2

經(jīng)過(guò)計(jì)算，流量系數(shù)成果見(jiàn)表3。泄量計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表3 流量系數(shù)計(jì)算表

表4 溢洪道泄流能力成果表

2.4 水力模型試驗(yàn)

為了論證溢洪洞各組成部分設(shè)計(jì)的合理性、可靠性進(jìn)行水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證。技施階段在南京水利科學(xué)研究院進(jìn)行了水力模型試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，對(duì)設(shè)計(jì)方案的控制段泄流能力、流態(tài)、水面線等水力參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)定。

2.4.1 泄流能力

通過(guò)模型試驗(yàn)，測(cè)試布置基本合理，體形設(shè)計(jì)總體上是合理的。但原設(shè)計(jì)方案由于閘室閘墩的影響，特別是半圓形閘墩墩頭距駝峰堰堰頂距離較短的影響，水流流經(jīng)閘墩后在墩頭部位產(chǎn)生強(qiáng)烈的水流繞流作用，閘墩兩側(cè)水流凹陷較大，水流收縮劇烈。從駝峰堰起點(diǎn)溢0+000.00至堰頂，由于過(guò)流斷面縮小，坡比加大水面高程驟然降低，水深減小，形成了較大的水面比降，導(dǎo)致溢洪洞泄流能力不足，控制工況下的泄流量比設(shè)計(jì)流量約少30%～35%。

為了提高溢洪道泄流能力，在原布置試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了溢洪道進(jìn)口閘墩墩頭和墩尾形狀及尺寸修改，進(jìn)口上游閘墩墩頭改為長(zhǎng)橢圓形墩頭，墩尾墩長(zhǎng)向上按2∶1逐漸縮短的漸變?nèi)切味瘴?。體形修改后，閘墩后水冠高度明顯降低，收縮段水流流態(tài)改善明顯，基本達(dá)到預(yù)期效果。修改方案不僅改善了水流流態(tài)，而且也提高了泄流能力，下泄流量滿足工程設(shè)計(jì)要求。閘墩體型見(jiàn)圖2。

圖2 閘墩體型

經(jīng)過(guò)對(duì)閘墩修改后，控制段水流流態(tài)平順，最大水位時(shí)泄流能力略小于設(shè)計(jì)值，但基本滿足設(shè)計(jì)泄流能力要求，對(duì)比見(jiàn)表4。

2.4.2 時(shí)均動(dòng)水壓力

試驗(yàn)根據(jù)溢洪道體型特征在溢洪道沿流程底板和側(cè)墻均布置了測(cè)壓管，其中為了更好地考察進(jìn)口駝峰堰的壓力變化規(guī)律，在堰上平均布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)(A1-A11)。在閘門全開(kāi)時(shí)測(cè)值，見(jiàn)表5、圖3。

表5 溢洪道全開(kāi)泄洪時(shí)均動(dòng)水壓力試驗(yàn)值 /kPa

圖3 駝峰堰底板壓力分布圖

從測(cè)值分析堰前引水渠水面比降小沿程時(shí)均壓力降低緩慢，至溢流堰區(qū)域壓力沿流程降低增快。堰頂(A6)附近出現(xiàn)最小壓力，校核水位1 333.52 m，測(cè)點(diǎn)A6最小時(shí)均動(dòng)水壓力為P=-5.96 kPa；最大壓力出現(xiàn)堰起始端2.5 m處(A2)，校核水位1 333.52 m，測(cè)點(diǎn)A2最大時(shí)均動(dòng)水壓力為P=125.49 kPa。

2.4.3 模型實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從模型實(shí)驗(yàn)成果看，堰上水流流態(tài)平穩(wěn)，無(wú)明顯水面波動(dòng)，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，堰上壓力也在允許范圍內(nèi)，且控制段脈動(dòng)壓力主能量集中在1～3 Hz 范圍的低頻區(qū)。整體上堰型合理，能滿足泄洪要求。

2.5 溢流堰應(yīng)力計(jì)算

溢流堰采用整體式現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)，堰體基底應(yīng)力按材料力學(xué)公式計(jì)算：

式中:σmaxmin為閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載；∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向形心軸的力矩；A為閘室基底面的面積；W為閘室基底面對(duì)于該底面垂直水流方向形心軸的截面矩。

溢洪洞運(yùn)行期主要用作泄洪，荷載組合分基本組合及特殊組合兩類。其中基本組合考慮正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位兩種情況，特殊組合考慮校核洪水位情況，主要荷載有堰體及閘門等附件自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、水重。

基本組合：堰體及閘門等附件自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+水重

特殊組合：堰體及閘門等附件自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+水重

該段地基承載力較低，需小于0.35 MPa，經(jīng)計(jì)算駝峰堰體應(yīng)力滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，計(jì)算成果見(jiàn)表6。

表6 堰體應(yīng)力計(jì)算成果表

從應(yīng)力計(jì)算成果看，駝峰堰應(yīng)力較好對(duì)地基條件差的適應(yīng)性較強(qiáng)。

3 結(jié) 論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源需求進(jìn)一步加大，水利工程面臨著復(fù)雜的地質(zhì)地形條件，工程布置越來(lái)越難。駝峰堰是一種較好的低堰堰型，適于修建在條件較差的基礎(chǔ)上，經(jīng)設(shè)計(jì)及模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，流量系數(shù)在0.4～0.46之間。駝峰堰在大型水庫(kù)、大流量下也具有一定的適應(yīng)性。平寨水庫(kù)已下閘蓄水，經(jīng)過(guò)泄洪期間開(kāi)敞式溢洪洞運(yùn)行工況的觀測(cè)和檢查，駝峰堰在溢洪洞中運(yùn)行情況良好，功能發(fā)揮正常，完全滿足泄洪運(yùn)行要求。