孤山子水庫溢洪道設(shè)計(jì)及水力特性分析

□李 根 □王圣海 □王健驍 □齊 奇

（1遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局；2遼寧省江河流域管理局）

1 工程概況

孤山子水庫位于遼寧葫蘆島市建昌縣魏家?guī)X鄉(xiāng)孤山子村，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)魚等綜合利用的水利樞紐工程。孤山子水庫溢洪道存在的主要問題有以下幾個(gè)方面：（1）溢洪道堰頂高程低于規(guī)劃正常蓄水位；（2）壩肩式溢洪道泄槽巖石風(fēng)化，無襯護(hù)和消能防沖設(shè)施；（3）無交通橋；（4）導(dǎo)流堤出現(xiàn)貫通裂縫，左岸導(dǎo)流堤留有過路口，行洪時(shí)洪水外溢，危及大壩安全。（5）右岸為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，無護(hù)岸，抗沖能力差。因此，工程擬在原址重新修建溢洪道，新建溢洪道設(shè)計(jì)要解決抗沖能力低、沖刷破壞嚴(yán)重的問題；合理的消能防沖設(shè)計(jì)能夠保證良好的水流流態(tài)，確保水庫的安全運(yùn)行。

2 溢洪道消能設(shè)施設(shè)計(jì)方案比選

2.1 方案設(shè)計(jì)

2.1.1 方案一挑流消能方案：挑流消能的挑坎布置于樁號(hào)0+165處，挑流鼻坎采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，凈寬34.80m，挑坎高程為155.88m。挑坎反弧半徑為12.70m，鼻坎挑射角26°，反弧最低點(diǎn)高程154.88m；挑流鼻坎末端設(shè)齒墻，齒墻底高程為149.75m；挑射距離23.00m，沖坑底高程147.50m，順?biāo)鞣较蜷L2.00m，沖坑上游按坡比1:4對巖石削坡，沖坑下游以1:3.5倒坡與出水渠相接；兩側(cè)按1:1.5開挖整治，并用M10漿砌石護(hù)坡。

2.1.2 方案二底流消能方案：底流消能按地形應(yīng)將泄槽向下游延伸75m，消能采用挖深式鋼筋混凝土消力池，其中陡坡段長4m，坡比1:4，底板厚0.40m，下設(shè)C15混凝土墊層，厚0.10m；消力池底板設(shè)PVC排水管和0.50m厚碎石反濾層；消力坎底頂寬0.80m，頂高程150.50m，與出水渠段齊平。

2.2 方案比選

消能設(shè)施工程量及經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較詳見表1，出于工程任務(wù)量以及資金的考慮，決定采用挑流消能型式。

3 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)參數(shù)計(jì)算

3.1 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新建溢洪道沿原溢洪道布置，溢洪道主要由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、消能設(shè)施及出水渠組成。根據(jù)方案比選，溢洪道消能型式采用挑流消能，其他主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

3.1.1 進(jìn)水渠

進(jìn)口布置成對稱的喇叭口形式，上游采用鋼筋混凝土水平防滲，鋪蓋長20m，閘上游翼墻均采用鋼筋混凝土扶臂式結(jié)構(gòu)。

3.1.2 控制段

控制段為5孔溢洪閘，閘室段采用整體式結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L15m，垂直水流方向?qū)?7m。交通橋布置在閘室下游側(cè)，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路—Ⅱ級(jí)；工作橋采用T型梁結(jié)構(gòu)，上設(shè)啟閉機(jī)房；檢修便橋采用鋼筋混凝土板式結(jié)構(gòu)，布置在閘室上游側(cè)；橋頭堡位于溢洪閘右岸，右岸碾壓砂殼料筑平臺(tái)并與山坡相接。

3.1.3 泄槽段

泄槽為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用等寬矩形斷面，凈寬34.80m，長147.50m；岸墻采用全對稱布置，采用鋼筋混凝土懸臂式結(jié)構(gòu)；泄槽末端采用挑流消能。

3.1.4 出水渠

出水渠總長150m，渠底比降為1:200，凈寬31m；兩岸按1:1.5坡比進(jìn)行護(hù)砌；在出口處向河道上、下游各護(hù)砌40m，采用圓弧曲線與出水渠護(hù)坡連接。

表1 溢洪道方案設(shè)計(jì)比較結(jié)果表

3.2 泄槽段水力計(jì)算

3.2.1 起始斷面位置及其水深

《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中有規(guī)定，泄槽上游接閘室底板，起始計(jì)算斷面定在泄槽首部，水深取用泄槽首端斷面計(jì)算的臨界水深hk。臨界水深（hk）和臨界邊坡（JK）的計(jì)算公式如下：

式中：b、q分別為泄槽底寬（m）和單寬流量（m3/s），b=34.80m；θ 為泄槽底坡與水平方向的夾角（°），θ=1.023°；λJ為水力參數(shù)；α、g分別為動(dòng)能修正系數(shù)和重力加速度，取α=1.0；g=10m/s2。

3.2.2 水流流態(tài)判別

根據(jù)計(jì)算結(jié)果判別各種頻率洪水水流流態(tài)。

3.3 消能防沖水力計(jì)算

洪水經(jīng)挑流消能后流入下游出水渠，在保證能形成自由挑流的情況下，挑坎高程可略低于下游最高水位，經(jīng)比較確定挑坎高程為155.88m。挑坎為連續(xù)等寬式，根據(jù)規(guī)定挑流鼻坎反弧半徑取值為反弧最低點(diǎn)最大水深的6～12倍。經(jīng)比較之后，確定挑坎反弧半徑和鼻坎挑射角分別為12.70m和24°，反弧最低點(diǎn)高程154.88m，反弧上游與泄槽底板切線連接，挑坎反弧始點(diǎn)樁號(hào)0+159.28，終點(diǎn)樁號(hào)0+165。挑流水舌外緣挑距與沖坑最大水墊深度計(jì)算根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。

4 水力特性分析

4.1 斷面流態(tài)

圖1 兩種工況下不同斷面水流流態(tài)圖

分析圖1（a）和（b）可知，兩種工況條件下，水閘后方的水流橫向水面都出現(xiàn)了明顯的不穩(wěn)定現(xiàn)象，出現(xiàn)這一狀況的原因是水流在閘墩后發(fā)生繞流，使得斷面水流出現(xiàn)波動(dòng)。從圖1（c）中可以看出，斷面水流受到漸變段束水效果的影響，在漸變段末端出現(xiàn)折沖水流和“菱形波”，呈現(xiàn)中間斷面水深高于兩岸水深的水流流態(tài)。

4.2 底板壓強(qiáng)

底板壓強(qiáng)是檢驗(yàn)工程質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它能夠反映水工建筑底板及邊墻的設(shè)計(jì)載荷，如某部位底板壓強(qiáng)較小或出現(xiàn)負(fù)壓，則容易產(chǎn)生空化、空蝕破壞。圖2為兩種工況下模擬與數(shù)值計(jì)算底板壓強(qiáng)對比，分析可知，模擬的沿程壓強(qiáng)分布與理論計(jì)算的結(jié)果大體吻合，并且新建溢洪道在模擬中未出現(xiàn)負(fù)壓情況。

圖2 兩種工況下模擬與數(shù)值計(jì)算底板壓強(qiáng)分布對比圖5結(jié)語

溢洪道是水利工程中一種常見的泄水建筑物，其結(jié)構(gòu)功能受工程地質(zhì)條件、工程結(jié)構(gòu)以及工程整體布置等條件限制，并且溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工程布置會(huì)對泄流的水力特性產(chǎn)生較大的影響。孤山子水庫參照相似地區(qū)工程實(shí)踐，通過對比分析，最終確定溢洪道合理的結(jié)構(gòu)和工程布置形態(tài)；理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，水流流態(tài)符合工程要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了工程設(shè)計(jì)的合理性。

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