黃土梁峁溝壑區(qū)水庫泄洪建筑物布置及選型研究

陳居乾

(甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

隴山山地是黃土高原地貌的主要分布區(qū)，呈現(xiàn)“千溝萬壑”的特殊景觀，黃土梁峁溝壑地貌是其主要類型特征，受水蝕及風蝕作用，侵蝕切割強烈，水土流失嚴重，顯著特點為地形支離破碎，梁峁密布，溝壑縱橫，溝深坡陡，溝(河)谷蜿蜒曲折。黃土梁峁溝壑區(qū)山地屬構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)，黃土殘塬與溝(河)谷發(fā)育，溝(河)谷較開闊時呈不對稱“U”型，以側(cè)向侵蝕為主，兩岸不對稱發(fā)育Ⅰ級階地，階面較平坦；兩岸谷坡較陡時呈“V”型或陡崖深谷狀，以下切侵蝕為主，溝(河)谷狹窄，兩岸無階地。區(qū)內(nèi)新老黃土廣泛分布，最厚達200m，結(jié)構(gòu)稍密—中密，不良物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為黃土自重或非自重濕餡性、溯源侵蝕、風化、卸荷、滑坡及崩塌。黃土梁峁溝壑區(qū)典型地貌如圖1所示。

圖1 黃土梁峁溝壑區(qū)典型地形地貌

黃土梁峁溝壑區(qū)地形地貌獨特，修建水庫工程具有其特殊性。水庫泄洪建筑物布置及選型需根據(jù)特殊的梁峁溝壑地形研究論證，以保證技術(shù)可靠、運行安全及經(jīng)濟合理。本文結(jié)合甘肅省平?jīng)鍪星f浪縣梁河水庫泄洪建筑物工程布置及選型工作實踐，對黃土梁峁溝壑區(qū)水庫泄洪建筑物布置及選型進行研究。

梁河水庫位于渭河流域六盤山山地構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)，為典型的黃土梁峁溝壑區(qū)，總庫容165.4萬 m3，工程規(guī)模為Ⅳ等小(1)型，主要建筑物級別為4級，工程系統(tǒng)由大壩、泄洪及取水建筑物構(gòu)成，大壩壩型為均質(zhì)土壩，最大壩高41.7m，參與布置及選型研究的泄洪建筑物為岸邊開敞式溢洪道(溢洪洞)、豎井式溢洪道，以及有閘控制泄洪排沙洞(兼導(dǎo)流洞)。水庫防洪標準按30年一遇洪水設(shè)計，300年一遇洪水校核，相應(yīng)洪峰流量分別為60.1、146.0m3/s，消能防沖建筑物按20年一遇洪水設(shè)計，相應(yīng)洪峰流量48.2m3/s。

1 泄洪建筑物傳統(tǒng)布置方式及主要問題

黃土梁峁溝壑區(qū)主溝(河)狹窄，深谷陡崖，兩岸梁峁密布，溝壑縱橫，通常無天然埡口布置泄洪建筑物溢洪道，溝(河)岸式溢洪道需穿越多道梁峁與溝壑，與泄洪排沙洞同岸或分岸布置。溢洪道傳統(tǒng)布置型式主要存在高邊坡、高填方、軟弱地基處理等諸多問題，運行存在較大安全隱患。高邊坡多為濕陷性黃土及表層軟弱覆蓋層，極易滑塌堵塞泄流明槽，高邊坡與軟弱地基處理、高填方總體工程量大，投資高。上壩道路與溢洪道同岸布置時相互交叉或平行，岸坡開挖量及邊坡高度增加較多，工程布置與技術(shù)經(jīng)濟條件更差。

若將陡坡明槽溢洪道改為溢洪洞，隨可避免軟弱地基，不需穿梁峁、跨溝壑形成高邊坡和高填方，保證運行安全，但工程投資顯著增加。溝(河)岸式溢洪洞屬淺埋隧洞，通常圍巖工程地質(zhì)條件較差，開挖掘進及一次支護施工具復(fù)雜性，施工難度相對溢洪道未降低，且進出口仍存在高邊坡問題?？傮w分析，溢洪洞方案仍不具備明顯技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)越性。

2 溢洪道及泄洪洞結(jié)合布置型式

為解決溝(河)岸式溢洪道傳統(tǒng)布置型式存在的主要問題，采用將溢洪道(溢洪洞)與泄洪排沙洞合二為一相互結(jié)合布置共用泄洪洞技術(shù)方案。由于溢洪道(溢洪洞)為表孔，泄洪排沙洞為底孔，為此，溢洪道(溢洪洞)采用豎井式[1-5]，底部與泄洪排沙洞共用1條泄洪洞。

梁河水庫根據(jù)庫壩區(qū)上下游地形及地質(zhì)條件，泄洪建筑物布置于河道右岸，豎井式溢洪道(溢流井)與泄洪排沙閘相互結(jié)合構(gòu)成整體岸邊塔式進水口，溢流井布置于塔身兩側(cè)，由井頂三面開敞自由溢流倒拋物線型實用堰、中部過渡段、下部井身段及井底消能水墊塘組成[1-7]，塔身中部為泄洪排沙閘，閘后銜接漸變洞段、洞身段及出口消能段。塔式進水口平面布置如圖2所示。

圖2 塔式進水口平面布置(單位：mm)

3 泄洪建筑物總體設(shè)計

溢流井堰頂高程以水庫正常蓄水位控制，按高于正常蓄水位5.0 cm設(shè)計。依水庫運行方式及防洪調(diào)度設(shè)計原則，遇設(shè)計標準及其以下洪水時，泄洪排沙閘單獨泄洪，遇設(shè)計標準以上、校核標準及超標洪水時，泄洪排沙閘與溢流井聯(lián)合泄洪。適當加大泄洪排沙閘泄量，以沖沙清淤保持庫容，按泄洪排沙閘承擔約三分之二總泄量、溢流井承擔約三分之一總泄量的設(shè)計原則進行水力學計算與調(diào)洪演算，確定泄洪排沙閘孔口與井頂溢流堰尺寸，以及相應(yīng)庫水位。

進水塔塔頂單側(cè)溢流堰堰長23.52m，矩型斷面溢流井平面尺寸為井頂13.4(長)×5.06m(寬)、井身段及井底水墊塘7.28(長)×2.0m(寬)，井頂堰高0.86m，過渡段高14.49m，坡比1:0.15，井身段高7.3m，總井深22.65m，井底與閘底板同高，井底下游設(shè)置擋墻，形成深1.0m消能水墊塘[4-9]。泄洪排沙閘為帶胸墻深潛孔式，閘室長18.0m，結(jié)構(gòu)總寬5.5m，孔口尺寸2.5(寬)×2.4m(高)，胸墻前后設(shè)置平板檢修閘門及弧型工作閘門，塔頂設(shè)置工作橋與壩頂相接。

塔式進水口通過漸變洞段與泄洪洞相接，漸變洞段洞長20.0m，洞內(nèi)布設(shè)長5.0m溢流井導(dǎo)流墩；洞身段全長292.01m，前段洞長40.62m處為半徑80.0m、圓心角40.0°的轉(zhuǎn)彎洞段；洞出口為總長55.0m的漸變擴散段與底流式消能工，接泄洪渠入河道。泄洪洞采用圓拱直墻平底板“城門洞”型窄深式斷面，凈寬3.6m、凈高4.6m，縱坡1/11.5，一次噴錨鋼拱架及二次現(xiàn)澆鋼筋混凝土的復(fù)合式支護襯砌結(jié)構(gòu)。塔式進水口縱橫剖面如圖3—5所示。

圖3 泄洪排沙閘縱剖面(單位：mm)

圖4 塔式進水口橫剖面(單位：mm)

圖5 溢流井縱剖面(單位：mm)

設(shè)計標準洪水工況泄洪排沙閘單獨泄流量60.1m3/s，相應(yīng)設(shè)計洪水位(正常蓄水位)2183.60m，溢流井堰頂高程2183.65m；校核標準洪水工況溢流井泄流量43.8m3/s，泄洪排沙閘泄流量92.5m3/s，聯(lián)合總泄流量136.3m3/s，相應(yīng)校核洪水位2184.40m，調(diào)洪庫容8.1萬m3，死水位2163.00m。大壩壩頂設(shè)置高1.2m防浪墻，墻頂高程2186.40m，壩頂高程2185.20m。

4 泄洪建筑物水力學試驗研究及驗證優(yōu)化

4.1 試驗研究重點內(nèi)容及目的

按重力并兼顧阻力相似準則，滿足水流運動與動力特征等技術(shù)特性相似原則，建立幾何比尺為1∶40的泄洪建筑物完整實體模型，開展整體水工模型試驗研究，重點研究驗證塔式進水口及泄洪洞結(jié)構(gòu)體型、泄洪能力、率定庫水位—泄流量關(guān)系曲線、率定弧門不同開啟度泄流曲線、水流流態(tài)與流速分布、溢流井井底水墊塘水力狀況與消能效果、動水壓力特性，以及泄洪洞水面線與明滿流交替狀況[5-17]，并全面優(yōu)化泄洪建筑物結(jié)構(gòu)體型及穩(wěn)定水面波動措施。

4.2 先期試驗研究成果及分析

4.2.1豎井式溢洪道泄洪能力

經(jīng)試驗研究驗證，泄洪排沙閘關(guān)閉，溢流井單獨泄洪，設(shè)計調(diào)洪校核洪水位2184.40m時，泄流量為75.2m3/s(最大泄流量)，相應(yīng)堰上水頭0.75m，泄流量Q與庫水位Z關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 溢流井單獨泄洪Q—Z關(guān)系曲線

4.2.2泄洪排沙閘不同開啟度泄洪能力

經(jīng)試驗研究驗證，泄洪排沙閘開啟度為1/4(孔口高0.6m)、1/2(孔口高1.2m)與3/4(孔口高1.8m)，以及全開(孔口高2.4m)時，設(shè)計調(diào)洪校核洪水位2184.40m工況下，泄流量分別為25.0、48.5、71.5、134.0m3/s，不同開啟度泄流量Q與庫水位Z關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 泄洪排沙閘不同開啟度泄洪Q—Z關(guān)系曲線

4.2.3聯(lián)合泄洪能力

經(jīng)試驗研究驗證，校核標準洪水工況下，泄洪排沙閘全開與溢流井同步運行，當聯(lián)合泄流量達146.0m3/s時，庫水位為2184.06m，低于設(shè)計調(diào)洪校核洪水位2184.40m，泄洪建筑物聯(lián)合泄洪能力滿足要求，泄洪規(guī)模設(shè)計合理，其中庫水位達溢流井堰頂高程2183.65m時，泄洪排沙閘全開泄流量為131.0m3/s。聯(lián)合泄流量Q與庫水位Z關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 泄洪建筑物聯(lián)合泄洪Q—Z關(guān)系曲線

4.2.4水流流態(tài)及消能效果

經(jīng)試驗研究驗證，設(shè)計洪水位(正常蓄水位)工況泄洪排沙閘全開單獨泄洪，溢流井井身無負壓與空蝕，水流通過短壓力進水口后擴散，漸變洞段內(nèi)水流流態(tài)復(fù)雜，波動強烈，撞擊閘室墩墻及洞身側(cè)墻后急劇抬升形成“水翅”，隨泄流量增大，“水翅”沖擊泄洪洞洞頂。校核洪水位工況泄洪排沙閘與溢流井聯(lián)合泄洪，井身無負壓與空蝕，過堰水流跌落至井底躍起，與過閘水流匯集進入泄洪洞，進水口段水流流態(tài)異常復(fù)雜，井內(nèi)水流流態(tài)紊動劇烈，井底水墊塘消能效果差。隨泄流量增大，泄洪洞洞內(nèi)水流呈低壓—明滿流交替狀態(tài)，全線流態(tài)不穩(wěn)定。

4.3 優(yōu)化技術(shù)方案試驗研究

在先期試驗研究成果的基礎(chǔ)上，為改善水流流態(tài)，增強消能效果，重點按校核標準洪水泄洪工況，對溢流井井底水墊塘及漸變洞段的結(jié)構(gòu)體型與水流流態(tài)進一步通過試驗研究優(yōu)化[5-17]。

4.3.1溢流井井底水墊塘優(yōu)化

溢流井井底水墊塘深度設(shè)置1.0m增至1.5、2.0、3.0、4.0m多種技術(shù)方案，并優(yōu)化體型為WES型溢流堰[4-12]，同時將漸變洞段下移5.0m，起始于溢流井導(dǎo)流墩末端進行試驗研究。經(jīng)試驗研究驗證，并結(jié)合水流流態(tài)及消能效果分析，井底深3.0m的WES型溢流堰水墊塘技術(shù)方案堰高體型較優(yōu)，堰面無脫流，堰體對水流調(diào)節(jié)作用及流線轉(zhuǎn)折適應(yīng)性良好。水流經(jīng)深3.0m水墊塘出流后，消能效果明顯，漸變洞段內(nèi)水流流態(tài)大為改善，且堰體不影響短壓力進水口自由出流。試驗研究驗證表明，溢流井井底設(shè)置足夠深度水墊塘及其溢流堰調(diào)整水流，控制水流紊動強烈摻混區(qū)位于水體中下部，減緩水體表面波動，利于和下游水流順暢銜接是關(guān)鍵。塔式進水口平面布置及溢流井井底水墊塘優(yōu)化如圖9—10所示。

圖9 塔式進水口優(yōu)化平面布置(單位：mm)

4.3.2洞內(nèi)削波穩(wěn)流措施

根據(jù)類似工程實踐及水力學試驗研究成功案例，采取漸變洞段設(shè)置削波壓水板措施消除水面波動及“水翅”穩(wěn)定水流[17]。依據(jù)削波板不同布設(shè)高度及縱向長度多方案試驗研究驗證，增設(shè)削波板可有效改善水流流態(tài)。削波板布設(shè)位置過高消除“水翅”效果減弱，過低影響泄流，以按下游洞段斷面控制，布設(shè)于洞身頂拱起拱線部位，起始于進水口之后3.0m處，縱向長度27.62m技術(shù)方案為較優(yōu)，其中漸變洞段內(nèi)長22.0m，橫寬等同洞寬。漸變洞段削波穩(wěn)流優(yōu)化措施如圖10所示。

圖10 溢流井井底水墊塘及漸變洞段優(yōu)化縱剖面(單位：mm)

4.4 優(yōu)化技術(shù)方案水流流態(tài)及流速分布

按水庫泄洪運行方式，在設(shè)計、校核與消能防沖高標準洪水，以及10年與5年低標準常遇洪水泄洪工況下，對優(yōu)化后的泄洪建筑物沿程水流流態(tài)及流速分布進行了全面試驗研究驗證[5-17]，泄洪工況及其相應(yīng)成果見表1。

表1 泄洪工況及其試驗研究優(yōu)化成果

試驗研究表明，優(yōu)化技術(shù)方案不同標準洪水泄洪工況，泄洪排沙閘進流平順，閘前無偏流、回流及吸氣漩渦等不良流態(tài)，水流經(jīng)短壓力進水口順暢下泄，不沖擊弧門支鉸。溢流井泄流水體經(jīng)溢流堰跌入井底水墊塘，翻滾強烈，消能充分，過堰水流緊貼堰面無脫流，經(jīng)漸變洞段入下游洞身，對短壓力進水口自由出流無影響。泄洪排沙閘單獨泄洪時，漸變洞段過閘主流集中于中部，并向兩側(cè)擴散，形成斜向沖擊波；溢流井參與聯(lián)合泄洪時，井底過堰水流對漸變洞段洞身兩側(cè)擴散水流所形成的水面波動及斜向沖擊波具有良好的壓制減弱作用。

試驗研究表明，削波板對穩(wěn)定水流流態(tài)、減弱水面波動、消減轉(zhuǎn)彎洞段水流特征，以及消除“水翅”作用顯著。轉(zhuǎn)彎洞段水面未達洞頂，外側(cè)高于內(nèi)側(cè)，存在水面差，隨泄量降低，彎道水流特征顯著趨緩。受轉(zhuǎn)彎洞段影響，下游直線洞段水面存在一定波動，但泄流順暢，無不利流態(tài)，沿程斷面平均水深及流速見表2所列。洞身最大水深低于側(cè)墻頂0.3m，最小凈空2.1m、凈空率70.4%，滿足技術(shù)要求，最大流速超15.0m/s，屬高速水流，需采用高強抗沖耐磨鋼筋混凝土襯砌。

表2 泄洪洞沿程斷面平均水深及流速

總體分析評價，不同標準洪水泄洪工況，優(yōu)化技術(shù)方案泄洪建筑物沿程水流流態(tài)及消能效果明顯改善，泄洪洞洞頂凈空較大，無明滿流交替狀況，無不良流態(tài)，泄洪順暢，優(yōu)化技術(shù)方案及削波穩(wěn)流措施合理有效。

4.5 優(yōu)化技術(shù)方案時均壓力特性

試驗研究表明，泄洪建筑物優(yōu)化技術(shù)方案沿程表面動水壓力分布正常，無負壓空蝕，結(jié)構(gòu)體型合理[5-17]。表面時均動水壓力見表3。

表3 泄洪建筑物沿程表面時均動水壓力

5 結(jié)語

水庫泄洪建筑物豎井式溢洪道與泄洪排沙閘相互結(jié)合，構(gòu)成整體岸邊塔式進水口共用泄洪洞技術(shù)方案布置型式，全面解決了黃土梁峁溝壑區(qū)水庫溝(河)岸式溢洪道傳統(tǒng)布置型式存在的主要問題，且建筑及臨建工程投資可節(jié)省15.0%以上，效果良好。工程實踐及研究成果具一定普遍性，可為黃土梁峁溝壑區(qū)及類似地理特征區(qū)中小型水庫泄洪建筑物工程布置與設(shè)計提供良好借鑒。整體岸邊塔式進水口建筑物規(guī)模較大，對地基特性要求高，漸變洞段跨度大，開挖掘進需增強一次支護措施，工程布置與設(shè)計需注重考慮，對于大型水庫及其高泄洪量建筑物工程應(yīng)用存在一定局限性。