基于水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程溢洪道閘墩尾部體型優(yōu)化研究
——以葠窩水庫(kù)為例

李 冰

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽(yáng) 110000)

1 水庫(kù)概況

葠窩水庫(kù)建于遼陽(yáng)市境內(nèi)的太子河干流，正常蓄水位96.6m，最高水位102.0m，最大庫(kù)容7.91億m3，控制流域6175km2，是一座兼具供水、灌溉、防洪、發(fā)電、旅游和養(yǎng)殖等功能于一體的大型水利工程。水庫(kù)大壩全長(zhǎng)532m，最大壩高50.30m，壩頂高程103.50m，該混凝土重力壩主要由電站壩段、溢流壩段和擋水壩段構(gòu)成。其中，溢流壩段設(shè)有溢流表孔14個(gè)，以右側(cè)主河床為主。工程建設(shè)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行水庫(kù)大壩滲漏損失逐年加大，各種病害不斷加劇，嚴(yán)重影響著工程效益的發(fā)揮，汛期一旦發(fā)生險(xiǎn)情必將對(duì)下游居民安全構(gòu)成潛在威脅。因此，當(dāng)?shù)卣e極籌措資金對(duì)葠窩水庫(kù)實(shí)施除險(xiǎn)加固，工程范圍覆蓋電站壩段、溢流壩段和擋水壩段加固，廊道、通氣孔、閘門井、大壩施工縫等部位裂縫處理，底孔改造與加固，電站、底孔、溢洪道、溢流排水等設(shè)備安裝，大壩岸坡防護(hù)以及下游河道治理，排水溝、交通路、橋涵、碼頭以及水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造等[1-3]。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型設(shè)計(jì)

采用水工模型試驗(yàn)研究下游河岸沖刷以及河床淤積問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)溢洪道體系和布置，科學(xué)確定下游消能防護(hù)型式及其范圍，通過(guò)合理分析和處置試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)一步揭示溢流壩段水力學(xué)特征，為葠窩水庫(kù)除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)提供一定支持。

遵循重力相似準(zhǔn)則合理設(shè)計(jì)模型，結(jié)合水工建筑物的集合尺寸以及葠窩水庫(kù)原型的水流特征，考慮試驗(yàn)精度的實(shí)際需求合理設(shè)計(jì)水工模型幾何比尺為100。根據(jù)葠窩水庫(kù)布置實(shí)際情況確定模型模擬范圍：上游最高地形略高于壩頂高程(模擬至105.0m)，以溢流壩中心線的兩側(cè)各300m作為橫向模擬區(qū)，下游最高地形模擬至65.0m，兩側(cè)適當(dāng)預(yù)留觀測(cè)平臺(tái)，上、下游至壩軸線以上500m和壩軸線以下580m。采用磚石水泥砂漿砌筑水工模型模擬的河床部分，利用有機(jī)玻璃制作表孔溢洪道，抹面水泥砂漿為1∶2。模擬過(guò)程中，控制模型的水平誤差不超過(guò)10mm，高程誤差不超高0.20mm[4]。

2.2 工況設(shè)計(jì)

采用太子河干流水文資料和葠窩水庫(kù)設(shè)計(jì)資料，擬設(shè)計(jì)三種水工模型模擬工況：設(shè)計(jì)洪水工況的庫(kù)水位98.95m(工況一)、校核洪水工況的庫(kù)水位98.75m(工況二)、消能防沖洪水工況的庫(kù)水位95.50m(工況3)。

2.3 模型沙選擇

根據(jù)葠窩水庫(kù)的地質(zhì)資料確定下游河道覆蓋層和溢流壩段水墊塘基巖的抗沖流速為2.0-2.5m/s、4.0-5.0m/s。針對(duì)模型沙的粒徑考慮利用抗沖流速經(jīng)驗(yàn)公式估算，水工模型中的基巖部分抗沖料和下游河道覆蓋層抗沖料選擇粒徑為8.0mm、2.0%的白云砂，可利用以下經(jīng)驗(yàn)公式模擬計(jì)算抗沖流速v，即：

(1)

式中：k為模型系數(shù)(m0.5/s)；D為抗沖粒徑，mm。

3 原始方案試驗(yàn)結(jié)果

3.1 溢流壩原始設(shè)計(jì)方案

葠窩水庫(kù)堰頂高程95.80m，溢流壩段長(zhǎng)274.20m，14個(gè)溢流表孔由12m×12m的14扇弧形鋼閘門控制。溢流堰堰面呈拋物線，曲線方程為y=0.0538x1.85，下游泄流槽(寬185.0m)與堰面后相接，大壩下游坡度與底坡坡度相同均為1∶0.75，挑流鼻坎設(shè)于泄流槽的后部，其挑角18.2°，半徑達(dá)到30.0m[6-9]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用水工模型模擬分析三種試驗(yàn)工況下的溢流壩原始設(shè)計(jì)方案，深入分析采集與觀測(cè)的數(shù)據(jù)：①在泄流能力方面，原始設(shè)計(jì)方案的溢流壩段能夠完全滿足需求，表明溢流表孔設(shè)計(jì)尺寸以及溢流壩的堰頂高程符合科學(xué)合理性要求；②工況一、工況二條件下堰頂部分區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，但負(fù)壓值較低不會(huì)引起顯著的水流空化現(xiàn)象，能夠保證溢流壩的安全運(yùn)行，沿程水深變化與泄槽段壓力變化保持一致，并且都為正值，說(shuō)明陡坡段與堰面曲線設(shè)計(jì)合理；③上游庫(kù)區(qū)水流流態(tài)平衡且正常蓄水位情況下基本為靜水區(qū)，水庫(kù)溢流壩段無(wú)產(chǎn)生橫向水流；④溢流壩表孔的進(jìn)水口來(lái)水比較順暢，前水面也較為開闊，下游泄槽內(nèi)水流受到墩尾體型的影響流態(tài)較差，產(chǎn)生約8m高的水冠。泄流表孔全開的條件下泄槽內(nèi)產(chǎn)生對(duì)稱折沖水流，而不對(duì)稱開放孔口閘門的情況下則出現(xiàn)不對(duì)稱折沖水流，并進(jìn)一步引起水流沖擊邊墻。所以，有必要進(jìn)一步優(yōu)化閘墩尾部設(shè)計(jì)方案，對(duì)原設(shè)計(jì)方案做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.3 溢洪道閘墩尾部梯形優(yōu)化

1)優(yōu)化方案一：考慮到有7-8m左右的無(wú)水區(qū)分布于表孔溢洪道中隔墻墩下游處，受下泄水流沖擊后形成較高的水冠，使得泄槽內(nèi)水流流態(tài)整體偏差。所以，將兩個(gè)半徑為8m的半圓弧尖頭閘墩設(shè)置在墩尾下游，設(shè)計(jì)水平長(zhǎng)度5.60m，從而生成優(yōu)化方案一。采用水工模型模擬優(yōu)化方案一，結(jié)果顯示沿尖頭閘墩的圓弧水流流向下游，這雖然降低了水冠高度(約6m)并且出現(xiàn)在下游，但并未解決水冠問(wèn)題，仍需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)改善泄槽內(nèi)的水流流態(tài)。

2)優(yōu)化方案二：結(jié)合方案一試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)成圓弧面的閘墩墩尾體型有利于改善水流流態(tài)，在一定程度上減小水冠高度。因此，考慮以優(yōu)化方案一為基準(zhǔn)進(jìn)一步增大半圓弧半徑，半徑從8m加大至10m，使下泄水流流線與尖頭閘墩曲面更加溫和，通過(guò)降低水流匯流夾角減小泄槽內(nèi)的水冠高度。為維持溢洪道的整體設(shè)計(jì)不發(fā)生改變，向上游把墩尾末端移動(dòng)1m，設(shè)計(jì)水面線以上斷面仍為矩形。采用水工模型模擬優(yōu)化方案二，結(jié)果發(fā)現(xiàn)泄槽內(nèi)的水冠高度減小到5.0m，進(jìn)一步改善了水流流態(tài)，但挑流鼻坎上游仍為水冠的落點(diǎn)處，這并不會(huì)明顯改變鼻坎的水舌形態(tài)。

3)優(yōu)化方案三：采用公式x2/2.252+y2/6.22=1生成方案三，采用水工模型模擬優(yōu)化方案三，墩尾下游形成的水翅在中墩兩側(cè)泄流表孔開度不同時(shí)會(huì)向開口小的一側(cè)偏移，泄槽內(nèi)產(chǎn)生的水冠厚度較小、高度較低約為3.0m，但會(huì)發(fā)生左右搖擺，從而增大了水化的濺水范圍，水流形態(tài)相對(duì)較差；3種工況下挑流鼻坎上游均為水冠的落點(diǎn)處，這并不會(huì)明顯改變鼻坎的水舌形態(tài)。

4)優(yōu)化方案四：結(jié)合方案三模擬結(jié)果，水流的交匯點(diǎn)與墩頭末端的距離隨墩尾流線型變化的增大而增加，水流流態(tài)也就更差，考慮到以上情況直接將墩頭設(shè)計(jì)成較小的半圓形，從而生成方案四。采用水工模型模擬優(yōu)化方案四，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在墩頭下游約3.0m處水流可以交匯，但由于泄槽坡度較大所產(chǎn)生的水冠高度依然較高，在挑流鼻坎的上游18m有水冠的落點(diǎn)處，基本不會(huì)改變挑流鼻坎出流水舌。

5)優(yōu)化方案五：綜合考慮以上問(wèn)題和各方案的優(yōu)劣情況，延長(zhǎng)方案二中的中墩長(zhǎng)度，并向下游延長(zhǎng)6.0m使其處于摻氣挑坎末端，從而聲場(chǎng)方案五。采用水工模型模擬優(yōu)化方案五，結(jié)果顯示摻氣挑坎末端與隔墩末端的延伸相接可以有效阻斷相鄰水流交互碰撞，在3種設(shè)計(jì)工況下均未形成水冠；相鄰泄流表孔開度不同時(shí)泄流槽內(nèi)也未產(chǎn)生濺水現(xiàn)象，從而徹底解決了水冠引起的水流流態(tài)較差問(wèn)題。因此，閘墩下游表孔溢洪道重建工程應(yīng)選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)方案五，并將其作為最優(yōu)推薦方案[10-15]。

4 結(jié) 論

文章利用物理模型研究了葠窩水庫(kù)除險(xiǎn)加固原設(shè)計(jì)方案，通過(guò)模擬分析探討了原設(shè)計(jì)方案的溢洪道水流水利特征，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了閘墩尾部體型，從根本上解決了下游泄槽段所存在的問(wèn)題，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)泄槽段水流平穩(wěn)、無(wú)濺水現(xiàn)象且水冠消失，可作為閘墩下游表孔溢洪道重建工程優(yōu)選方案。