溢洪道梯形擴散式消力池結構安全復核研究
——以觀洞水庫大壩分析

龔 勛

(廣東省惠州市華禹水利水電工程勘測設計有限公司，廣東 惠州 516000)

0 引 言

我國現有8．7萬余座水庫，大多建于20世紀50-70年代，限于當時的設計和施工條件制約，水庫普遍存在防洪標準低、工程質量差等缺陷，加上長期維修養護不夠，其中部分為病險水庫。水庫大壩定期安全鑒定制度是掌握和認定水庫安全狀況的手段，是水庫采取安全措施的依據。其中溢洪道消力池作為水庫體系中的重要組成部分，關系到水庫大壩汛期內的泄洪安全。為了提高消力池的運行效果，應采取科學的措施和精準的計算方法，對其結構安全進行復核，以此鑒定溢洪道消力池是否滿足安全穩定運行的要求。

1 工程概況

觀洞水庫位于東江一級支流觀洞河上游，地處廣東惠州仲愷高新技術開發區潼湖鎮，離惠州市區25km，是一宗以灌溉為主，結合防洪、發電、供水等綜合利用的中型水庫，水庫控制集雨面積41.6km2，總庫容為6223萬m3，工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等，其主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。觀洞水庫樞紐工程由大壩(主壩一座、副壩兩座)、溢洪道、輸水涵管(兩座)以及壩后電站組成。經復核，觀洞水庫設計洪水標準50a一遇(P=2%)，校核洪水標準1000a一遇(P=0.1%)。水庫死水位11.5m(珠基，下同)，對應庫容715萬m3；正常蓄水位20.00m，對應庫容4350萬m3，設計洪水水位22.08m，對應庫容5448萬m3；校核洪水水位23.37m，對應庫容6223萬m3；灌溉面積1493hm2，保護人口約4.0萬人。溢洪道位于主壩右側，進口閘室控制段采用駝峰堰，溢洪道總長131.9m，堰頂高程為19.00m，溢洪道總凈寬5.0m，設兩孔，每孔凈寬2.5m。采用鋼筋混凝土閘門控制，閘門尺寸為2.8m×2.4m(寬×高)，堰上部設啟閉機室，采用螺桿式啟閉機啟閉[1]。

2 溢洪道結構安全復核

觀洞水庫溢洪道水平投影長度為131.90m，由進水渠段、控制段、泄槽段、消力池段組成。由于該水庫溢洪道消力池為梯形擴散式消力池，并非是標準的消能形式，《溢洪道設計規范》(SL253-2018)(以下簡稱規范)并無相應的復核計算方法，因此本次復核計算僅對其消力池段進行安全復核，主要包括消力池消能防沖計算中的消力池深度、長度計算等內容。

消力池段水平投影長10.4m，池底高程為5.20m，消力池池深0.6m，消力池底寬從6m擴散到13m，池長9.4m，側墻邊坡為1∶1。

2.1 計算工況

根據《規范》溢洪道消能防沖建筑物的設計洪水標準：3級建筑物按30a一遇洪水設計。觀洞水庫為中型水庫，溢洪道為主要建筑，其等級為3級，因此，本次消能防沖復核計算洪水標準為30a一遇設計洪水位(P=3.33%)：最大下泄流量為40.4m3/s，相應上游庫水位21.87m，下游河床水位8.25m。

2.2 消能工復核計算

2.2.1 消能工簡化分析

由于消力池為梯形擴散式，平面上水躍前窄后寬，躍首斷面急流動能處于中部，壓力動量和分布不均，水躍流態較差，消能效率低。根據《規范》中推薦，盡量優先采用等寬、矩形斷面消力池，若采用擴散或梯形斷面消力池，應該保證池內不發生側向回流，通常需經水工模型試驗驗證確定。本溢洪道消力為梯形擴散式消力池，水流條件復雜，進行如下簡化：

1)將梯形斷面簡化為矩形斷面，參照《規范》中底流消能工進行計算；

2)本溢洪道消力池擴散角為20度，由底寬6m擴散至13m，漸變段長度僅9.4m。消力池擴散角為20度明顯偏大，參照《規范》，計算出的躍后水深為等寬矩形消力池的0.68倍，可不設消力池，不合實際情況。根據《水工設計手冊》，擴散型水躍屬于三元水躍，但實際工程中的擴散型消力池，為防止池水流脫離邊墻產生立軸漩渦，兩側邊墻的擴散角取值通常都不大，一般按來流弗勞德數取：

由上式可求得α=6°，(k取1.5)，本次計算溢洪道消力池擴散角按6度取進行以下計算。

2.2.2 計算方法的擬定

在本次復核計算中，可分別采用兩種不同的計算方式進行復核，具體如下：

1)為按照底流式消能工進行計算，對消力坎高、消力池深度與長度進行直接計算；

2)按照明渠恒定非均勻漸變流水面曲線進行計算，得出泄槽末端收縮水深度后，再按照相應的設計規范，對消力池的深度、長度等進行計算，最后根據計算手冊內容得出消力坎的高度。

2.2.3 第一種計算方法

該溢洪道采用的是綜合消能方式，按照計算手冊的內容，應采用水躍共軛水深公式進行計算，其中收縮斷面的水深計算公式為：

(1)

式中：E01代表的是上游總能頭；q代表的是單寬流量；f1代表的是建筑物流速系數。

在共軛水深計算時，可結合消力池平面圖，如下圖1所示。

圖1 消力池平面示意圖

(2)

池體長度的計算公式為：

LK=(0.7-0.8)L

(3)

池體深度的計算公式為：

(4)

式中：σ代表的是安全系數，取值為1.05；Ht代表的是下游水深；f2代表的是池出口位置的流速系數。

消力坎高度的計算公式為：

(5)

式中：P代表的是淹沒系數，在自由溢流狀態下，該數值取值為1.0；m代表的是流量系數；S代表的是消力池深度，消力坎式為0。采用《水利水電PC1500程序集》D-25消能計算程序，并發揮計算機的輔助作用，經過計算可知，池深為0.86m，長度為15.64m，消力坎的高度為1.83m。

2.2.4 第二種計算方法

按照規范要求，泄槽水流摻氣水深的計算公式為：

(6)

式中：h代表的是斷面水深；hb代表的是斷面摻氣后的水深，m；v代表的是不摻氣時泄槽斷面的流速，單位為m/s；ξ代表的是修正系數，取值范圍為1.0-1.4s/m，在文章研究中數值取1.2。經過計算可知，泄槽末端水深為0.527m，流速為12.777m/s。

擴散矩形消力池的水躍共軛深度計算公式為：

(7)

式中：Fr代表的是斷面弗汝德數；h2代表的是斷面水深，m；v1代表的是斷面流速，m/s；b1代表的是躍前寬度，數值為6m；b2代表的是躍后寬度，數值為7.79m。經過計算可知，Fr的數值為5.62，h2的數值為3.41；

池體深度為d=σh2-ht-△Z=1.05×3.41-2.45-0.246=0.88m；

池體長度為：Lk=0.8×18.8=15.04m；

坎高為：S=σh2-d-H1=1.05×3.41-0.6-0.84=2.14m；

2.3 消能工復核結果

本次通過兩種方法復核消能建筑物尺寸列于表1和表2。

表1 第一種方法計算復核結果與原設計消能建筑物尺寸對照表

表2 第二種方法計算復核結果與原設計消能建筑物尺寸對照表

通過上述兩種方法進行計算，對復核結果進行分析。消力池的長度及深度均不滿足要求，水躍將溢出池外，對下游海漫產生一定的沖刷破壞，故而該溢洪道消能工與安全運行標準不相符合[3]。

3 結 論

綜上所述，在水庫體系運行中，溢洪道消力池結構屬于重要內容，其結構安全對整體水庫運行狀態具有直接影響。對此，應積極采取有效的除險加固措施，確保水庫工程能夠健康持久運行。