中橋水庫泄水建筑物泄洪消能設(shè)計

申洪波，張文勝

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州遵義 563002)

1 工程概況

中橋水庫工程位于貴州省遵義市中心城區(qū)東北面，地處湘江左岸支流仁江下游新田灣河段內(nèi)，壩址距仁江河口13.6km，距遵義市城區(qū)中心21.0km。工程是以城市供水和農(nóng)田灌溉為主，兼顧集鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜飲水的中型水利樞紐工程。

壩址處河谷呈基本對稱的“V”形斜向河谷結(jié)構(gòu)，河谷寬高比為2.9～3.1。河床高程768.50～765.50m，河床寬約25～35m。壩址區(qū)左岸除穹窿狀山體基巖裸露外，其余多為第四系覆蓋層覆蓋，河床內(nèi)多覆蓋第四系沖洪積砂卵礫石。壩址區(qū)左、右岸巖層不對稱，巖層整體傾下游偏左岸，產(chǎn)狀 N10°～25°E/SE∠25°～45°，河床附近巖層產(chǎn)狀受構(gòu)造影響較零亂。溢洪道出露基巖主要為奧陶系中統(tǒng)十字鋪組上段灰色中至厚層含泥質(zhì)灰質(zhì)粉砂巖;在中后段多覆蓋厚度3～6m的殘坡積黏土夾碎石，巖體強風(fēng)化深度為7～9m，強度較低;出口段基礎(chǔ)出露地層巖性為粉砂巖，抗風(fēng)化及抗沖刷力較低，抗沖刷系數(shù)為1.4～1.6。

水庫壩址以上流域面積598.2km2，多年平均徑流量31980萬m3，2000年一遇洪峰為3380m3/s，100年一遇洪峰為1830m3/s，30年一遇洪峰為1260m3/s。

工程樞杻建筑物布置方案為:混凝土面板堆石壩+左岸開敞式設(shè)閘溢洪道+右岸放空兼沖沙隧洞+左岸放水隧洞。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高56.5m，壩頂長146.0m，壩頂寬6.5m，大壩上游壩坡1∶1.4、下游壩坡1∶1.3。水庫總庫容7380萬 m3，工程等別為Ⅲ等，水庫規(guī)模為中型。大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，消能防沖標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇(見圖1)。

圖1 中橋水庫樞紐布置

2 泄洪方案選擇

大壩為混凝土面板堆石壩，根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，左岸下游的緩坡臺地布置對布置溢洪道有利，故泄水建筑物布置于左岸。結(jié)合該工程實際情況，由于中橋水庫庫區(qū)淹沒較大，需設(shè)閘門控制水庫水位以減小淹沒，泄洪方案確定為岸邊開敞式設(shè)閘溢洪道。經(jīng)分析比較，考慮洪水全部通過的泄洪方案，結(jié)合大壩下游消能防沖影響，選擇了3孔9m×10m(b×h)、3孔8m×11m(b×h)及3孔7m×9m(b×h)表孔閘門共三組方案進行了比較。三組閘門泄洪方案調(diào)洪計算成果見表1。

表1 閘門比較調(diào)洪成果

經(jīng)調(diào)洪計算，3組閘門均滿足泄洪要求，且三組閘門泄洪方案的結(jié)構(gòu)布置相差不大，都能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和水力設(shè)計要求。三組閘門泄洪方案投資比較見下頁表2。經(jīng)綜合比較，選擇3孔8m×11m表孔為該工程泄洪方案。

表2 閘門方案投資比較

3 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合壩址左岸地形地質(zhì)條件，溢洪道緊鄰大壩左壩段布置，包括引水渠、溢流段、泄槽段、消力池段及出水渠段，總長297.0m。

引水渠長64m，渠底高程為798.00m，底坡 i=0.0，寬55.0～29.0m。溢流堰為WES實用堰，溢流面曲線方程為Y=0.0637X1.85，曲線段后接反弧與泄槽段相接，反弧半徑 25.0m，反弧角度 31.9°，堰頂高程801.00m，溢流堰凈寬24m，設(shè)3扇8m×11m(b×h)弧形工作鋼閘門。溢流堰上閘墩中墩寬2.5m，頭部為半圓形，閘墩長20.80m。為避免閘墩尾部水流交匯形成水翅，在水流表面形成沖擊波，需在中墩末端設(shè)置圓弧曲線型式的分流墩。分流墩寬2.5m，高8(上游)～12.39m(下游)，其頂部和下部沿閘墩方向的長度分別為4.84m和9.92m，頂部圓弧半徑10m，底部圓弧半徑40m。

泄槽段分三段，底坡 i=20%，首端長 6m，寬29.0m，收縮段長44m，收縮角度為4.55°，收縮段后槽寬22m;泄槽末端20.5m處底坡i=39%，邊墻通過扭面由直墻變?yōu)?∶0.2的梯形斷面與消力池銜接。在泄槽尾部與消力池連接部位設(shè)了三個長9.7m，寬3m、末端高3.8m的分流趾。消力池長66.0m，為梯形斷面，底寬22m，兩側(cè)墻坡度為1∶0.2，底板高程為767.00m，池深3.0m。經(jīng)水力計算并結(jié)合水力學(xué)模型試驗結(jié)果，在消力池首端20m處設(shè)了三個消力墩，消力墩寬3m，上游面直立高度為5m，頂部水平，沿順?biāo)鞣较蜷L1m，下游側(cè)坡比1∶1，沿順?biāo)鞣较蜷L6m。在消力池出口處設(shè)尾坎，尾坎高2m，頂寬2m，上游面鉛直，下游側(cè)坡比為1∶1。尾坎后接出水渠，出水渠長53m，渠底首端寬22.0m，底板高程768.00m。消力池平面布置見圖2，縱剖面見圖3。

圖2 消力池平面布置

4 水力學(xué)計算及模型試驗成果

4.1 泄流能力

表孔堰頂高程801.00m，堰型為WES實用堰，單孔溢流寬度8.0m，泄流公式采用:

泄流能力計算成果和水力學(xué)試驗成果見表3。

表3 溢洪道泄流能力理論計算及水力學(xué)試驗成果

從表3可知，在相同水位的情況下，水力學(xué)模型試驗成果的下泄流量值均大于理論計算值，溢洪道泄洪能力滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時洪水的下泄要求。

4.2 設(shè)計體型模型試驗

各工況下庫區(qū)水流平穩(wěn)，溢洪道進口水流流態(tài)平順，左側(cè)的邊坡較好地調(diào)整了進入控制段的水流，右側(cè)導(dǎo)墻上游端擾流輕微。溢洪道中墩下游增設(shè)分流墩后水流流態(tài)平順，水翅現(xiàn)象小，下泄水流沖擊波弱。消力池內(nèi)形成淹沒水躍，出消力池水流和下游河道銜接較好。各工況下堰面壓強分布正常，堰面的最小壓強為0.3×9.8kPa，反弧段的最大壓強為12.14×9.8kPa，消力池內(nèi)底板最大壓強為27.08×9.8kPa。下游河道的水位隨著溢洪道下泄流量的增大而升高，在溢洪道出口區(qū)域，水流流速相對較大。下游河道水流流速最大為5.89m/s，出池單位水體攜帶的余能小，消力池消能效果好，對下游兩岸坡影響較小，不會危及大壩安全。

5 結(jié)語

西南地區(qū)河流多屬山區(qū)型河流，峽谷地貌，在骨干水源建設(shè)中，泄洪建筑物在整個工程投資比重中占有很大比例，如何選擇經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的泄洪建筑物設(shè)計，對于加快骨干水源工程的建設(shè)有著積極意義。該工程泄洪建筑物在閘墩尾部設(shè)置分流墩，消除了閘墩尾部水流交匯形成的水翅。通過在泄槽末端入池部位增設(shè)分流趾、消力池內(nèi)設(shè)置消力墩，達(dá)到了在消力池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍。出池水流和下游水位的良好銜接，解決下游消能防沖問題，確保了工程的安全，提高了工程的效益。

水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室(四川大學(xué)).貴州省遵義市中橋水庫溢洪道及放空洞水工模型試驗研究報告［R］.