鏵尖子水庫消力池修改方案試驗研究

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 朝陽 110003)

1 工程背景

鏵尖子水庫位于遼寧省本溪市桓仁縣境內，是一座以灌溉為主、兼具防洪、發電和水產養殖的綜合性水利工程，同時也是桓仁縣六河灌區的骨干供水工程[1]。鏵尖子水庫始建于20世紀50年代，中間經過兩次擴建和三次加固，1986年最后一次加固至今已有30余年。由于年代久遠、建設標準低、后期維修管理不善等多種原因影響，近年來水庫病險情況愈加嚴重，不僅不能正常運行，還對下游的華來鎮和桓仁鎮以及兩鎮境內的本桓、沈桓等多條高速公路安全造成威脅，除險加固刻不容緩[2]。

通過現場檢查，鏵尖子水庫的溢洪道底板和邊墻破壞較為嚴重，左側的漿砌石導流墻坍塌并有明顯的繞壩滲流現象，溢洪道下游的挑坎存在嚴重破損并伴有滲水現象，海漫破損亦十分嚴重。因此，在除險加固中必須要對現有溢洪道進行改建或重建，根據工程可行性研究成果，如果對舊溢洪道進行加固，不僅結構可靠性低，而且投資較高。從經濟與安全性兩方面考慮溢洪道需要重建。

2 消力池原設計方案試驗

2.1 模型范圍

溢洪道水流形態十分復雜，同時受周邊地形、地質條件的影響較為明顯，一直是大壩泄水建筑物設計的難點。因此，在模型試驗過程中選取鏵尖子水庫溢洪道的全部工程作為試驗的考慮范圍，以獲得最優試驗成果，保證建筑物的流態，具體范圍為上游400m的庫區及下游200m的河道。

2.2 模型試驗的水文數據

根據鏵尖子水庫除險加固設計方案，溢洪道重建方案的正常蓄水位為138.00m；設計洪水位為131.01m；校核洪水位為132.01m，具體水文試驗數據見下表。

試驗水文數據

2.3 消力池原設計方案

鏵尖子水庫除險加固工程的溢洪道設計方案為開敞式陡漕溢洪道，總寬31.5m，凈寬27.5m，共分為三孔，其中左孔與中孔為凈寬10m的泄洪溢洪道，右孔為凈寬7.5m的排沙孔。消力池長60m，深3.1m，池低高程為113.00m，消能方式為底流消能。消力池右側邊墻不改變原有形式，左側邊墻拆除進行消力池擴建。

2.4 道消力池消能效果試驗分析

通過模型試驗，在設計與校核洪水條件下，鏵尖子水庫的下瀉流量分別為1189m3/s和2257m3/s，水流呈顯著的急流狀態，消力池的深度和寬度難以滿足水流擴散的需要，各個斷面的水流流速很大，中間斷面的最大流速為19.12m/s；水流產生明顯的遠驅式水躍，且呈不穩定狀態，在水頭擺動過程中有部分水流沖出；消力池消能效果極不理想，完全起不到消能效果。出池流速也很大，海漫中間斷面最大流速為7.56m/s，伴有明顯的挑流現象，坎后有明顯的跌水。

3 消力池修改方案試驗

原消力池設計方案的試驗結果顯示，在設計與校核洪水條件下，水流在消力池內產生明顯的急流，且流態不穩定，消能效果不理想，因此必須對原方案進行修改設計。

3.1 修改方案1

該修改方案針對原方案的不足，采用如下修改思路：首先，增加消力池的深度，強化消能效果，將消力池尾坎高程由原來的117.00m增加到118.00m；改變尾坎與消力池池底的連接方式，由原設計方案的45°倒角連接，改為90°角直立連接；為增強消能效果，在消力池的中部設計一道消力坎，其縱向坎長2.5m，高1.5m[3]。

對修改方案1進行模型試驗，結果顯示：消力池中部的消力坎將原來的消力池分為前后兩級，在2%頻率洪水條件下，由于水流流速較大，高速水流受到消力池中部消力坎的阻擋，形成不穩定的淹沒水躍，相對于原始方案，水流流態并沒有明顯改善；海漫段最大底流速為6.52m/s。由此可見，消力池的作用仍不能有效發揮，該方案雖然對原方案中的遠驅水躍具有一定優化作用，但水流流態仍不穩定，海漫段流速仍然較大，容易造成局部沖刷。因此，修改方案的消能效果并不理想，仍需進一步修改。

3.2 修改方案2

針對修改方案1的不足，提出修改方案2，該方案的基本思路：針對水流擴散方面的不足，對消力池的擴散形式進行修改，采用右側對稱擴散形式，將海漫部位的右側邊墻修改為90°轉角直立墻[4]，左側邊墻的坡度調整為1∶2.5，將海漫與消力池的連接部位改為90°轉角直立墻。

對修改方案2進行模型試驗，結果顯示：在2%頻率洪水條件下，在消力池內產生淹沒水躍，且躍首前后移動極不穩定。由于消力池擴散寬度顯著增大，中間斷面流速較原方案有明顯降低，最大底流速降為10.68m/s。海漫部位的流速有所減緩，底部最大流速為4.41m/s，且呈左大右小的規律。試驗結果說明：修改方案2比修改方案1有明顯進步，有效改進了消力池的消能效果，但并沒有達到理想狀態，仍需進一步修改。

3.3 修改方案3

針對修改方案2的不足，提出修改方案3，該方案的主要思路是進一步增加消力池尾坎的高度，由原來的117.00m調整為117.50m，增加0.5m，以增加消力池的深度。

對修改方案3進行模型試驗，結果顯示：在2%頻率洪水條件下，雖然尾坎高度的增加使池深增加0.5m，但是水流流態的改善并不明顯，消力池池首仍存在明顯的水躍，且仍不穩定；消力池的出池流速相對方案2有所減小，并呈左大右小的形式，但是隨著下游水位降低，水躍進一步下移為遠驅水躍，消能作用也明顯變差，海漫段的最大底流速增加到4.51m/s。由此可見，修改方案3仍不符合設計要求，消力池的消能作用沒有得到明顯改善，仍需進一步修改。

3.4 修改方案4

針對修改方案3的不足，提出修改方案4，該方案進一步提高消力池尾坎的高程，由方案3的117.50m增加至118.00m，使池深增加到4.0m。

對修改方案4進行模型試驗，結果顯示：在2%頻率洪水條件下，消力池的池首產生比較穩定的淹沒水躍，整個消力池的水流流態與消能效果都得到顯著改善；水流出池時的水躍消失，呈跌水狀態，雖然消力坎下游的面流速有所增大，但是底流速減緩明顯。在下游水位明顯降低時，消力池中的水躍會變為遠驅水躍，水流出池時呈現出嚴重的跌水狀態，海漫段最大底流速顯著增加，由方案3中的4.01m/s 增加至4.56m/s。與修改方案3相比，消能效果并沒有得到根本性改善，仍需進一步調整。

3.5 修改方案5

修改方案1～方案4主要通過增加池深或池寬以增強消能作用，但均沒取得良好效果，因此應考慮增設輔助消能工提高消能效果。基于上述思路，提出修改方案5：在溢洪道陡坡段末端和消力池前段設置梯形消能墩，其中溢洪道陡坡段末端設置一排3個，寬3.72m、長14.28m、高3.5m、間距等于墩寬的消能墩；在消力池前段設置前排5個，后排6個共兩排，寬2.25m、長3.25m、高3.0m、間距等于墩寬的消能墩；將消力池底板高程增加0.9m。修改方案5的平面布置圖如圖1所示。

圖1 修改方案5平面布置

修改方案5進行模型試驗，結果顯示：在2%頻率洪水條件下，高速水流受到梯形消能墩的阻擋作用，分流成多股水流和強迫性水躍，且形態極不穩定，特別是消力池左側極易出現挑流；消力池出池水流呈嚴重跌水狀態，海漫段最大底流速由方案3中的4.56m/s增加到5.74m/s。由此可見，一排消能墩對高速水流的撞擊作用并不明顯，沒能達到預想的效果，仍需修改。

3.6 修改方案6

對修改方案5的試驗情況進行分析，由于消能墩的位置和組合不合理，影響了其功能的發揮，降低了消能效果。因此，在原有布置的基礎上進行消能墩的尺寸和位置調整，形成修改方案6。修改方案6的平面布置圖如圖2所示。

圖2 修改方案6平面布置

對修改方案6進行模型試驗，結果顯示：在2%設計標準洪水條件下，消力池的水躍穩定。流態比較平順和均勻，海漫的水流流態也比較平穩，最大底流速為3.56m/s，與修改方案5相比下降明顯，同時也低于上述各方案。在下游水位降低時消力池內的流態依舊穩定，只是海漫部位的流速有所增大，最大底流速為3.81m/s，各斷面流速分布均比較均勻。在0.2%頻率設計洪水條件下，在消力池內仍能形成比較穩定的淹沒水躍，部分水流漫出邊墻，出池流速呈中間小、兩邊大的分布特征。在0.033%頻率的校核洪水條件下，由于水流速度極大，消能墩起到了明顯的撞擊作用，但是在消力池內仍能形成穩定的淹沒水躍。

4 結 論

綜合修改方案1～6的實驗情況，消力池在2%設計洪水條件下，修改方案6能夠達到比較理想的消能效果，對下游海漫和堤岸基本沒有不利影響。雖然在校核洪水條件下，消能作用有所減弱，出池流速明顯加大，流態變差，但是相較于原始方案亦有明顯改善。因此，采用修改方案6作為消力池設計方案。

參考文獻

[1] 王鶴偉.鏵尖子水庫除險加固設計方案合理分析[J].黑龍江水利科技,2016(9):69-72.

[2] 楊揚.淺談小型病險水庫除險加固措施[J].河南水利與南水北調,2016(1):45-46.

[3] 王圣文,吳洪亮.多級連續消力池的布置與水力計算方法[J].水利與建筑工程學報,2011(5):105-107,138.

[4] 彭誠,王均星,鄭梅玲,等.漸擴式折坡消力池的水力特性試驗研究[J].水電能源科學,2016(5):110-112,131.