新地溝水庫(kù)溢洪道布置形式和消能參數(shù)設(shè)計(jì)

陳 凱

（新疆昌源水務(wù)集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

擬建的新地溝水庫(kù)是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、防洪和工業(yè)供水為主的小（1）型水庫(kù)，工程等別Ⅳ等，主要建筑物級(jí)別4 級(jí)，次要建筑物及臨時(shí)建筑物級(jí)別5 級(jí)。工程由大壩、導(dǎo)流放水沖砂隧洞、溢洪道等建筑物組成。水庫(kù)總庫(kù)容500 萬m3，死庫(kù)容70 萬m3，興利庫(kù)容345 萬m3，防洪庫(kù)容85 萬m3。泄水建筑物消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)20 a一遇，相應(yīng)洪峰流量32.07 m3/s，主要針對(duì)溢洪道布置和消能方案進(jìn)行分析。

2 溢洪道布置形式及泄流能力分析

2.1 布置形式設(shè)計(jì)

2.1.1 溢洪道堰型確定

新地溝水庫(kù)溢洪道堰型可設(shè)計(jì)為側(cè)堰和正堰2種形式[1]，2種形式工程量及投資額對(duì)比詳見表1，最終確定側(cè)堰布置形式。

表1 側(cè)堰和正堰2種布置形式對(duì)比

2.1.2 正槽開敞式溢洪道設(shè)計(jì)

本溢洪道為正槽開敞式，堰頂寬度7.0 m，主要由引渠段、控制段、泄槽段、消能段、出口護(hù)坦段組成，總長(zhǎng)305 m，結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 溢洪道結(jié)構(gòu)示意

（1）引渠段。引渠段長(zhǎng)約21 m，口寬由12 m 漸變至7.0 m，邊墻高由3.0 m 漸變至5.8 m，采用C25F200W6鋼筋混凝土澆筑，底坡為0。

（2）控制段?？刂贫伍L(zhǎng)12 m，溢流堰型采用WES實(shí)用堰，無閘控制，堰高1.0 m，邊墻頂部設(shè)置交通橋與壩頂相通。

（3）泄槽段。泄槽段（分一、二段）長(zhǎng)154 m，底板寬6 m，厚0.6 m，邊墻高7.3～5.0 m。泄槽段根據(jù)地形條件，設(shè)計(jì)縱坡為0.039，采用普通泄槽，首端底高程1 744.50 m，末端底高程1 738.25 m。泄槽末端設(shè)5.5 m深的防沖齒墻，采用C20F200毛石混凝土澆筑。齒墻內(nèi)需設(shè)置排水孔，利于排水，以降低消力池底板揚(yáng)壓力，排水孔采用PVC 管材，孔徑0.1 m，間距2.0 m，排距2.0 m，共3排，呈梅花形布置，排水管坡度傾向下游。

2.2 泄流能力計(jì)算

本溢洪道采用無閘控制，堰型采用WES 實(shí)用堰，最高水位（校核洪水位）1 750.8 m，設(shè)計(jì)洪水位1 749.5 m，堰頂高程1 747.0 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，實(shí)用堰泄流能力采用下式計(jì)算[3]：

式中：H0為堰前總水頭（m）；m為流量系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）；B為堰寬（m）。

溢洪道泄流計(jì)算結(jié)果，詳見表2。從表2 可知，溢洪道泄流能力滿足水庫(kù)調(diào)洪演算要求，設(shè)計(jì)泄量為38.8 m3/s，校核泄量為93.19 m3/s。

表2 溢洪道泄流能力計(jì)算結(jié)果

3 溢洪道消能參數(shù)設(shè)計(jì)分析

本溢洪道采用底流消能形式，分為傳統(tǒng)型和跌坎型2 種[4]。下面，針對(duì)這2 種消能形式，采用建立物理模型方式進(jìn)行對(duì)比，確定最優(yōu)方案。

3.1 物理模型設(shè)計(jì)

本工程物理模型的水庫(kù)、溢洪道引渠段采用混凝土砂漿制作，控制段及以后段均采用有機(jī)玻璃制作，各參數(shù)比例詳見表3。

表3 物理模型各參數(shù)比例

對(duì)于水位和水頭，采用精度為0.1 mm 的水位測(cè)針測(cè)量；對(duì)于動(dòng)態(tài)水壓和流速，采用LS-401D 型直讀式流速儀測(cè)量；模型流量由量水堰控制[5]。

3.2 2種消能方案試驗(yàn)結(jié)果

以水流空化數(shù)σ和流速v2 個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)消能效果，其中σ越大表明空化現(xiàn)象越弱，可有效減弱消力池的空蝕破壞，計(jì)算公式如下[6]：

式中：h0為來流參考斷面壓力水頭（m）；ha為大氣壓力水柱（m）；hv為水的氣化壓力水柱（m）；v0為來流參考斷面平均水速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。

2種方案分別選取了5個(gè)參考斷面，如圖2—3所示。

圖2 傳統(tǒng)底流消能方式消力池流態(tài)和流速（校核泄量下）

3.2.1 傳統(tǒng)底流消能結(jié)果

（1）當(dāng)溢洪道處于設(shè)計(jì)泄量38.8 m3/s時(shí)，經(jīng)計(jì)算得消力池的水流空化數(shù)σ=0.46，大于臨界值0.3，發(fā)生空化可能性較小。消能位置處于中部，消能水體穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水越，消能效果顯著。

（2）當(dāng)溢洪道處于校核泄量93.19 m3/s 時(shí)，經(jīng)計(jì)算得消力池的水流空化數(shù)σ=0.32，已經(jīng)接近臨界值0.3，極有可能發(fā)生空化現(xiàn)象。消力池流態(tài)和流速情況，如圖2 所示。由圖2 可知：①通過泄槽二段進(jìn)入消力池時(shí)，溢0+186.177斷面水深h=3.48 m，臨底流速vs=18.05 m/s，達(dá)到最大值，表面流速ve=4.9 m/s；②水流進(jìn)入消力池后，臨底流速vs在不斷減小，在離開消力池時(shí)降至2.5 m/s，而表面流速ve則不斷增大，離開消力池時(shí)達(dá)到5.91 m/s，上下流速差值最大達(dá)到11.0 m/s，這會(huì)影響消力池水體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致水面波動(dòng)劇烈，且產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍現(xiàn)象，這是不利現(xiàn)象，只能通過加大消力池長(zhǎng)度去解決[7]。

3.2.2 跌坎型底流消能結(jié)果

（1）當(dāng)溢洪道處于設(shè)計(jì)泄量38.8 m3/s時(shí)，經(jīng)計(jì)算得消力池的水流空化數(shù)σ=0.52，大于臨界值0.3，發(fā)生空化可能性較小。消能位置處于中部，消能水體穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍現(xiàn)象，消能效果顯著。

（2）當(dāng)溢洪道處于校核泄量93.19 m3/s 時(shí)，經(jīng)計(jì)算得消力池的水流空化數(shù)σ=0.41，明顯大于臨界值0.3，發(fā)生空化可能性較小。消力池流態(tài)和流速情況，如圖3所示。

圖3 跌坎型底流消能方式消力池流態(tài)和流速（校核泄量下）

由圖3 可知：①通過泄槽二段進(jìn)入消力池時(shí)，溢0+186.177斷面水深h=4.76 m，臨底流速vs=16.62 m/s，達(dá)到最大值，表面流速ve=4.9 m/s；②水流進(jìn)入消力池后，臨底流速vs在不斷減小，在離開消力池時(shí)降至2.1 m/s，而表面流速ve則呈現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象，且臨底與表面流速差值最大為4.39 m/s，相比于傳統(tǒng)底流消能方式得到了極大改善，無需加長(zhǎng)消力池。

3.3 消力池具體參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬試驗(yàn)，消力池總長(zhǎng)度最小控制在15 m，底寬10 m，池深1.0 m，側(cè)墻高5.0 m，跌坎高度1.3 m，計(jì)算公式如下：

式中：Fr為弗勞德數(shù)；θ為挑角（°）；h為坎上水深（m）。

消力池段為矩形斷面鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，采用C25F200W6 鋼筋混凝土澆筑，底板厚度0.8 m，下設(shè)10 cm厚C15素混凝土墊層，邊壁厚度0.4～1.0 m，消力池段結(jié)構(gòu)分縫長(zhǎng)度為10 m。底板后10 m 需設(shè)置排水孔，采用PVC 管材，孔徑0.1 m，排距2.0 m，間距2.0 m，呈梅花形布置。

4 結(jié)語

經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比可知，傳統(tǒng)底流消能方式只能應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)泄量情況，一旦泄量較大則會(huì)導(dǎo)致水面波動(dòng)和遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利，會(huì)給下游河岸造成沖刷破壞；而跌坎型底流消能方式會(huì)顯著降低臨底流速，使池內(nèi)水流擴(kuò)散明顯，水體流態(tài)穩(wěn)定，消能效果更好，很好保護(hù)了尾坎和下游護(hù)坦，且不會(huì)增加消力池長(zhǎng)度，節(jié)約了建筑成本。