a型駝峰堰在大型水庫中的應用

邵紅艷

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

黔中水利樞紐工程——平寨水庫岸邊開敞式溢洪洞為1級建筑物，由引渠段、控制段、收縮段、洞身泄槽段及挑流鼻坎組成，水平總長約976.8 m，溢洪洞按500年一遇洪水設計，5 000年一遇洪水校核。最大下泄流量1 634 m3/s，控制段設置3孔7.0×10(寬×高)的弧形閘門。

1 地形地質條件

平寨水庫溢洪洞明挖段(含控制段)位于右岸一沖溝洼地內，地表高程在1 340 m左右，距離岸坡約400 m，出露地層為三疊系永寧鎮組第四段T1yn4的白云巖、泥質白云巖和溶塌角礫巖,巖層產狀315°∠15°，地形坡度10°～20°，為順向坡，該段鉆孔巖心破碎，多呈砂狀、碎塊狀，其工程地質條件較差。

2 溢流堰設計

2.1 堰型選擇

堰(閘)型式可采用開敞式或帶胸墻的實用堰、寬頂堰、駝峰堰等，具體應根據地形地質條件、水力條件、運用要求及技術經濟指標等綜合比較選用。本工程因地質條件較差，不適應建高堰，宜采用低堰，同時本工程下泄流量也較大，堰型的選擇需考慮以上兩個因素。而駝峰堰是一種堰高很小的復合圓曲線剖面低堰，適用于軟弱地基條件，且流量系數也能達到0.4～0.46之間，同時駝峰堰的整體穩定性和斷面應力情況較好。根據地質地形條件及泄流要求，黔中水利樞紐工程的溢洪洞選用駝峰堰泄流。

2.2 堰面曲線設計

駝峰堰是一種較好的低堰堰型，適于修建在條件較差的基礎上。堰的剖面一般由2～3段圓弧組成，圓弧之間有的還是直線段。但駝峰堰目前還未定型剖面，規范給出兩種特定型式，即a型和b型，其特性見表1。

表1中Hd為定型設計水頭，對低堰(P1<1.33Hd)可按堰頂最大水頭Hmax的65%～85%計算，本工程采用70%。

表1 駝峰堰體型參數表

結合地形地質條件，上游面及堰頂參照規范參數，結合有關工程實例的模型試驗觀測流量系數最好的體型綜合取值，下游銜接采用直線及反弧進行斜坡連接。通過計算，a型流量系數較b型略大一些，所以本工程堰面曲線主要采用a型參數，同時曲線擬定結合地形布置條件作適當調整，選定的曲線見表2，布置見圖1。

圖1 駝峰堰堰面曲線布置

2.3 泄流能力計算

駝峰堰的泄流能力計算公式：

式中：Q為流量；B為溢流堰總寬；H0為計入行近流速的堰上水頭；ε為閘墩側收縮系數；m為流量系數。

根據采用a型駝峰堰形式，m按下列公式計算：

當P1/H0≤0.24時，m=0.385+0.171(P1/H0)0.657

當P1/H0>0.24時，m=0.414 (P1/H0)-0.065 2

經過計算，流量系數成果見表3。泄量計算成果見表4。

表3 流量系數計算表

表4 溢洪道泄流能力成果表

2.4 水力模型試驗

為了論證溢洪洞各組成部分設計的合理性、可靠性進行水力模型試驗驗證。技施階段在南京水利科學研究院進行了水力模型試驗。在試驗中，對設計方案的控制段泄流能力、流態、水面線等水力參數進行了詳細的測定。

2.4.1 泄流能力

通過模型試驗，測試布置基本合理，體形設計總體上是合理的。但原設計方案由于閘室閘墩的影響，特別是半圓形閘墩墩頭距駝峰堰堰頂距離較短的影響，水流流經閘墩后在墩頭部位產生強烈的水流繞流作用，閘墩兩側水流凹陷較大，水流收縮劇烈。從駝峰堰起點溢0+000.00至堰頂，由于過流斷面縮小，坡比加大水面高程驟然降低，水深減小，形成了較大的水面比降，導致溢洪洞泄流能力不足，控制工況下的泄流量比設計流量約少30%～35%。

為了提高溢洪道泄流能力，在原布置試驗基礎上進行了溢洪道進口閘墩墩頭和墩尾形狀及尺寸修改，進口上游閘墩墩頭改為長橢圓形墩頭，墩尾墩長向上按2∶1逐漸縮短的漸變三角形墩尾。體形修改后，閘墩后水冠高度明顯降低，收縮段水流流態改善明顯，基本達到預期效果。修改方案不僅改善了水流流態，而且也提高了泄流能力，下泄流量滿足工程設計要求。閘墩體型見圖2。

圖2 閘墩體型

經過對閘墩修改后，控制段水流流態平順，最大水位時泄流能力略小于設計值，但基本滿足設計泄流能力要求，對比見表4。

2.4.2 時均動水壓力

試驗根據溢洪道體型特征在溢洪道沿流程底板和側墻均布置了測壓管，其中為了更好地考察進口駝峰堰的壓力變化規律，在堰上平均布置11個測點(A1-A11)。在閘門全開時測值，見表5、圖3。

表5 溢洪道全開泄洪時均動水壓力試驗值 /kPa

圖3 駝峰堰底板壓力分布圖

從測值分析堰前引水渠水面比降小沿程時均壓力降低緩慢，至溢流堰區域壓力沿流程降低增快。堰頂(A6)附近出現最小壓力，校核水位1 333.52 m，測點A6最小時均動水壓力為P=-5.96 kPa；最大壓力出現堰起始端2.5 m處(A2)，校核水位1 333.52 m，測點A2最大時均動水壓力為P=125.49 kPa。

2.4.3 模型實驗結論

從模型實驗成果看，堰上水流流態平穩，無明顯水面波動，泄流能力滿足設計要求，堰上壓力也在允許范圍內，且控制段脈動壓力主能量集中在1～3 Hz 范圍的低頻區。整體上堰型合理，能滿足泄洪要求。

2.5 溢流堰應力計算

溢流堰采用整體式現澆鋼筋砼結構，堰體基底應力按材料力學公式計算：

式中:σmaxmin為閘室基底應力的最大值或最小值；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載；∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向形心軸的力矩；A為閘室基底面的面積；W為閘室基底面對于該底面垂直水流方向形心軸的截面矩。

溢洪洞運行期主要用作泄洪，荷載組合分基本組合及特殊組合兩類。其中基本組合考慮正常蓄水位和設計洪水位兩種情況，特殊組合考慮校核洪水位情況，主要荷載有堰體及閘門等附件自重、靜水壓力、揚壓力、水重。

基本組合：堰體及閘門等附件自重+靜水壓力+揚壓力+水重

特殊組合：堰體及閘門等附件自重+靜水壓力+揚壓力+水重

該段地基承載力較低，需小于0.35 MPa，經計算駝峰堰體應力滿足規范及設計要求，計算成果見表6。

表6 堰體應力計算成果表

從應力計算成果看，駝峰堰應力較好對地基條件差的適應性較強。

3 結 論

隨著社會經濟的發展，水資源需求進一步加大，水利工程面臨著復雜的地質地形條件，工程布置越來越難。駝峰堰是一種較好的低堰堰型，適于修建在條件較差的基礎上，經設計及模型實驗結果的驗證，流量系數在0.4～0.46之間。駝峰堰在大型水庫、大流量下也具有一定的適應性。平寨水庫已下閘蓄水，經過泄洪期間開敞式溢洪洞運行工況的觀測和檢查，駝峰堰在溢洪洞中運行情況良好，功能發揮正常，完全滿足泄洪運行要求。