肯尼亞Karimenu II供水項(xiàng)目水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)

吳松寶

（上海市政設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）第六設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230000）

肯尼亞Karimenu II供水項(xiàng)目坐落于肯尼亞的中心省（Central Province），距首都 Nairobi大約75 km。主要工程內(nèi)容包括：總庫(kù)容為2 654萬(wàn)m3的水庫(kù)，輸水管線(xiàn)60.6 km，7萬(wàn)t/d的水廠。工程合同總價(jià)為2.359億美元，項(xiàng)目資金85%為中國(guó)貸款，15%為自籌。中國(guó)航空技術(shù)進(jìn)出口總公司（AVIC）和上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）總公司（SMEDI）聯(lián)合體承接了該供水項(xiàng)目。

1 水庫(kù)概況

水庫(kù)正常運(yùn)用設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，入庫(kù)洪峰流量為290 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為最大可能洪水PMF，相應(yīng)的洪水入庫(kù)洪峰流量為654 m3/s。溢洪道消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇（P=3.33%），30年一遇洪水入庫(kù)洪峰流量為215 m3/s，相應(yīng)出庫(kù)流量為192 m3/s。大壩樞紐為Ⅲ等工程，溢洪道為3級(jí)建筑物。溢洪道位于左壩肩，溢洪道下游消能防沖設(shè)施遠(yuǎn)離大壩，其局部破壞不會(huì)影響大壩安全。溢洪道的消能防沖設(shè)施的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)取可能最大洪水PMF。

2 地形與地質(zhì)條件分析

溢洪道位于壩左岸岸坡，坡頂高程1 855.70 m，坡腳高程1 806.00 m，地表坡度1∶5.3。地表地層為上更新統(tǒng)坡洪積高液限粉土層，厚5.0～14.0 m，下伏第三系火山角礫巖、熔結(jié)凝灰?guī)r，全風(fēng)化帶厚度2.0～20.0 m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度1.5～6.5 m。第三系火成巖（AV）主要由軟質(zhì)的火山角礫巖構(gòu)成，中下部有軟質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r層。巖體全風(fēng)化帶位于Q3土層下，巖體結(jié)構(gòu)均已破壞，呈土狀，該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)經(jīng)桿長(zhǎng)修正后擊數(shù)為9.9～39.3擊，平均擊數(shù)為19.5擊，厚度2.0～20.5 m，土層與混凝土間摩擦系數(shù)地質(zhì)建議值為0.28～0.30；強(qiáng)風(fēng)化帶厚度1.5～6.5 m，弱風(fēng)化帶厚度2.8～7.0 m。

3 溢洪道平面總體布置

溢洪道布置推薦方案為：溢洪道控制段采用平底寬頂堰有閘控制，閘孔凈寬度24 m，閘堰頂高程1 852.50 m。溢洪道控制段后接泄槽，根據(jù)水流數(shù)值模擬分析，及消能方式方案比較，泄槽采用1∶5.0，臺(tái)階式消能。泄槽后接消力池，采用底流消能方式。

3．1 閘室后收縮段

溢洪道控制段閘室后的泄槽，用于閘孔出流流態(tài)的調(diào)整，以便閘孔出流與下游泄槽連接，該段寬度由閘室下游處的26.4m，逐步收縮至20m寬。邊墻高度，由7．0m減小到4.50m。

3．2 泄槽

泄槽垂直高差52.0 m，寬度20 m，泄槽采用臺(tái)階消能，以控制流速，滿(mǎn)足不空蝕要求。泄槽坡度1∶5.0，采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

3．3 消力池段

消力池長(zhǎng)度50.0 m，寬度20.0～30.0 m，深度5．0 m，邊墻高度11．0 m。經(jīng)過(guò)消能計(jì)算和數(shù)值模擬，消力池長(zhǎng)度、深度滿(mǎn)足各工況泄流的消能要求。

3．4 出口段

長(zhǎng)度60 m，約等于12倍下游水深。本次河道兩岸為土質(zhì)邊坡，挑坎下游巖石抗壓強(qiáng)度較低。因此，消力池下游60.0 m范圍內(nèi)出水渠道邊坡采用防護(hù)石籠護(hù)砌。

設(shè)計(jì)中對(duì)以上溢洪道布置及消能方式進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)溢洪道進(jìn)水閘導(dǎo)墻、泄槽邊墻高度進(jìn)行了修正。溢洪道過(guò)流能力、消能效果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 水力設(shè)計(jì)

4.1 控制段泄流能力計(jì)算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2000），閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，泄流能力按堰流公式計(jì)算，計(jì)算的水位流量關(guān)系成果見(jiàn)表1。

表1中計(jì)算溢洪道過(guò)流能力與調(diào)洪計(jì)算采用值比較：相應(yīng)于同一庫(kù)水位時(shí)的計(jì)算最大過(guò)流量與調(diào)洪計(jì)算時(shí)的采用值接近。

表1 閘門(mén)全開(kāi)時(shí)計(jì)算的水位流量關(guān)系

4.2 陡坡段水面曲線(xiàn)計(jì)算

水面線(xiàn)采用PMF校核工況，水位1 857.72 m，閘門(mén)全開(kāi)計(jì)算。推算閘墩末端至消力池之間的陡坡面上的水面曲線(xiàn)，以此確定導(dǎo)水墻的高度。本工程泄槽為臺(tái)階式消能，目前無(wú)理論公式計(jì)算水面線(xiàn)。采用數(shù)值模擬計(jì)算。采用三維CFD程序（Computational Fluid Dynamics）進(jìn)行數(shù)值模擬，溢洪道壁粗糙度系數(shù)取0.013。水面線(xiàn)計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 斜坡水面線(xiàn)

4.3 消力池計(jì)算

消力池按下泄流量458 m3/s（PMF）進(jìn)行消能設(shè)計(jì)，采用底流消能。自由水躍共軛水深可按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式計(jì)算。經(jīng)計(jì)算：躍后水深為9.11 m，水躍長(zhǎng)度為55 m，消力池長(zhǎng)度為44 m、池深為3.8 m，過(guò)坎落差為0.8 m。取消力池池長(zhǎng)50 m、池深5 m。

4.4 溢洪道數(shù)值模擬計(jì)算

為了驗(yàn)證泄水建筑物布置的可行性和合理性，采用三維CFD程序?qū)σ绾榈浪鬟M(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算成果見(jiàn)圖1、圖2，三維分析以PMF工況為例。

圖1 流速剖面圖（初期工況）

由三維仿真模擬結(jié)果：整個(gè)泄流過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，泄槽流速小于20 m/s。

圖2 流速剖面圖（泄流穩(wěn)定后，最大流速18.3 m/s）

5 水工模型實(shí)驗(yàn)

本模型按正態(tài)模型設(shè)計(jì)，模型比尺為40。模型試驗(yàn)主要結(jié)論：1）設(shè)計(jì)洪水（校核洪水）控制庫(kù)水位為 1 855.92 m（1 857.72 m），下游敞泄，實(shí)測(cè)溢洪道下泄流量為 243.18 m3/s（455.23 m3/s），溢洪道泄流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2）流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，消力池消能效果良好，溢洪道沿程流態(tài)良好；流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，溢洪道臺(tái)階段水流流態(tài)良好，消力池段水流沖出消力池，偏短。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，本工程消能防沖的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水，因此，認(rèn)為消力池結(jié)構(gòu)尺寸滿(mǎn)足規(guī)范要求。

水流出收縮段后有輕微沖擊波產(chǎn)生，沖擊波范圍約50 m。收縮段末端0+38斷面處平均流速為7.70 m/s，第一級(jí)泄槽末端0+52斷面處平均流速為9.98 m/s，泄槽末端水躍前斷面樁號(hào)為0+280，平均流速為14.29 m/s，泄槽臺(tái)階段消能率為79.5%。PMF工況，泄槽上游水深1.72～1.6 m。溢洪道全程均為正壓。

6 結(jié)語(yǔ)

Karimenu II供水項(xiàng)目水庫(kù)溢洪道在設(shè)計(jì)中對(duì)布置方案、消能方式等進(jìn)行充分的對(duì)比分析，并通過(guò)數(shù)值模擬分析及水工模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，起到了很好設(shè)計(jì)優(yōu)化等作用，設(shè)計(jì)通過(guò)充分分析，確定溢洪道的最終布置。