魁龍水庫泄洪建筑物布置設(shè)計及水力特性試驗研究

李 卿

（遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,貴州 遵義 563000）

1 工程概述

魁龍水庫工程位于貴州省余慶縣小腮鎮(zhèn)魁龍村境內(nèi),地處余慶河左岸一級支流魁龍河下游,其工程任務(wù)為余慶縣城城市供水和白泥工業(yè)園區(qū)供水,年供水量為1170 萬m3/a。水庫正常蓄水位630.00 m,總庫容1152 萬m3,屬Ⅲ等中型水庫。樞紐工程由砼面板堆石壩、泄洪系統(tǒng)、引水系統(tǒng)等組成,大壩高為58.50 m,壩頂高程633.50 m。大壩、泄水建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000 年一遇,消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇,最大下泄流量為135 m3/s（P=0.1%）。

壩址所處河道蛇曲呈不規(guī)則的“幾”字型,壩址為不對稱的寬“V”形橫向河谷,左右岸基巖多裸露,河床多被第四系殘坡積、沖洪積物覆蓋,層厚約4m,巖層產(chǎn)狀N40°～45°W/NE ∠8°～10°,傾下游微偏左岸,壩基巖性全為礫巖,巖層穩(wěn)定,構(gòu)造裂隙發(fā)育頻率較低,但切割較深遠(yuǎn),巖體風(fēng)化帶較厚,兩岸卸荷帶寬度不大,岸坡穩(wěn)定性好。

2 泄洪方案選擇

由于水庫庫區(qū)正常蓄水位以上5 m 范圍內(nèi)基本無房屋、專項設(shè)施和較大規(guī)模的耕地等控制性實物分布,加之水庫下游也無重要防護(hù)對象,結(jié)合地形地質(zhì)條件和樞紐布置,為節(jié)省工程投資、便于工程管理,經(jīng)過多組方案比較分析后確定水庫的泄洪方案為右岸泄洪洞（自由泄流）方案。經(jīng)調(diào)洪演算,溢流凈寬確定為18 m。結(jié)合水庫規(guī)模、地形地質(zhì)條件和水文基本資料,為了盡量減少壩體填筑量,并重點考慮趾板線盡可能布置在壩基巖性均勻、避開不利結(jié)構(gòu)面,布置上盡量順直等以減少開挖及處理工作量等,對水庫泄洪建筑物選擇右岸“泄洪（無壓）洞”和“豎井旋流泄洪洞”兩種方案進(jìn)行同精度綜合比較。

2.1 泄洪（無壓）洞方案

該方案將泄洪洞進(jìn)口布置上游一號沖溝內(nèi)、出口布置在三號沖溝出口處,隧洞軸線距大壩右壩肩155 m,進(jìn)口采用側(cè)槽開敞式溢流堰、中間采用無壓隧洞泄洪、出口采用陡槽+底流消能方式,進(jìn)口側(cè)槽軸線方位為NE82.00°,隧洞、陡槽及消力池段中心線方位為SE87.00°。泄洪建筑物包括進(jìn)口引水渠段、溢流堰、側(cè)槽段、調(diào)整段、隧洞段和出口陡槽段及消力池段,總長277.30 m。該方案中導(dǎo)流隧洞軸線呈直線型,軸線長181 m,隧洞底坡2.5/100,進(jìn)口底板高程取584.00 m、出口底板高程取580.00 m,隧洞斷面按導(dǎo)流時為無壓隧洞,度汛時為有壓隧洞的工況設(shè)計；隧洞洞身長163 m,凈高3.72 m、底寬2.5 m,側(cè)墻高3.0 m、頂拱半徑1.443 m,洞身采用0.4 m 厚鋼筋混凝土全斷面襯砌。具體布置見圖1。

圖1 泄洪（無壓）洞方案樞紐布置

2.2 豎井旋流泄洪洞方案

因河道呈不規(guī)則“幾”字型,該方案主要考慮泄洪控制進(jìn)口的進(jìn)水方向、引水道的長度、豎井與引水道的結(jié)合及豎井周邊巖體厚度、導(dǎo)流洞改建為泄洪洞與豎井的連接、泄洪洞出口消能及水力條件等因素。因豎井旋流泄洪洞的施工與引水隧洞、面板堆石壩、導(dǎo)流洞等建筑物的施工密切相關(guān),在滿足總體施工布置的基礎(chǔ)上該方案應(yīng)力求與相關(guān)建筑物施工干擾小、臨時工程量小、后期運行管理方便、可靠等。經(jīng)布置,豎井旋流泄洪洞方案主要由開敞式自由溢流進(jìn)口、明渠引水道、渦室、豎井、退水洞、消力池等組成,總長214.60 m,最大水頭49.44 m。該方案中導(dǎo)流隧洞軸線亦呈直線型,軸線（含進(jìn)出口引渠）長180 m,其中洞身長166 m,軸線方向S79.11°E；隧洞進(jìn)口底板高程為584.00 m,出口底板為580.18 m,出口后接泄洪消力池；隧洞斷面按泄洪時為無壓隧洞工況設(shè)計,并按全斷面鋼筋混凝土襯砌設(shè)計,隧洞的斷面型式采用頂拱夾角為120°角的城門洞型。隧洞底寬4.5 m、凈高5.80 m。具體布置見圖2。

圖2 豎井旋流泄洪洞方案樞紐布置

上述兩個方案擋水及引水建筑物相同,溢流控制段堰型及寬度也相同,針對泄洪建筑物及導(dǎo)流洞等臨時工程方面進(jìn)行投資比較。具體見表1。

表1 泄洪方案特性比較表

由于壩址及右岸地質(zhì)條件單一,兩個方案不存在較大的工程地質(zhì)條件差別,方案均可行；從施工布置看,兩個方案擋水、引水建筑物和施工導(dǎo)流布置方案基本相同,泄洪（無壓）洞方案各建筑物相對獨立,施工干擾小,但溢洪道進(jìn)口遠(yuǎn)離大壩,施工條件相對較差,而豎井旋流泄洪洞方案可充分利用導(dǎo)流洞（洞身斷面較前方案大）、布置較緊湊,但存在一定程度的施工干擾、其豎井開挖需與導(dǎo)流洞同期實施完成；由表1 可知,豎井旋流泄洪洞方案比泄洪（無壓）洞方案投資少145.5 萬元。故推薦方案2。

豎井旋流泄洪洞具有消能效果好、結(jié)構(gòu)布置靈活、抗空化能力強、工程造價低等優(yōu)點,適合高山峽谷地帶、高壩泄洪等工程。其主要原理是利用旋轉(zhuǎn)水流的離心力,形成空腔、增大洞壁壓力和水力摩阻,延長流程,達(dá)到防止空蝕和消能的目的。國內(nèi)外多年來在多個工程中運用,具有一定工程經(jīng)驗,如沙牌水電站（最大流量240 m3/s,水頭88.0 m）、公伯峽水電站（最大流量1060 m3/s,水頭104.0 m）、九龍河溪古水電站（最大流量491.5 m3/s,水頭99.2 m）等。

3 豎井旋流泄洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

豎井旋流泄洪洞在現(xiàn)行設(shè)計規(guī)程規(guī)范中未形成完善的理論體系,目前國內(nèi)已建工程主要依靠模型試驗指導(dǎo),本方案的設(shè)計重在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上,參閱大量類似工程論文及設(shè)計資料、觀摩類似工程模型試驗成果,在半理論半經(jīng)驗設(shè)計過程中結(jié)合水工模型試驗不斷優(yōu)化完成；該泄洪建筑物的布置設(shè)計主要在于上平段和豎井段,具體布置見圖3。

圖3 豎井結(jié)構(gòu)圖（高程單位：m）

進(jìn)口段為開敞式自由溢流,進(jìn)水方位N84.38°W,采用側(cè)槽WES 實用堰,溢流控制凈寬18.0 m,堰頂高程630.00 m,堰頂上游側(cè)采用雙圓弧曲線（R1=1.0 m,R2=0.4 m）,下游采用WES 曲線y=0.277x1.85。堰前引渠長6.0 m,寬18.00 m,底坡i=10%。側(cè)槽首端寬度3.0 m,末端寬度6.0 m,底板高程625.46 m～623.66 m,設(shè)計底坡i=0.1,內(nèi)側(cè)邊墻鉛直,墻頂高程634.60 m。

引水道因處于山體臨近水庫一側(cè)的斜坡地帶,上部山體較薄弱,考慮到施工場地布置和結(jié)構(gòu)施工方便,將引水道設(shè)為明渠形式,為豎井旋流提供必要的初始流速及水深；其右邊墻從樁號“溢0+028.00 m”處開始收縮,左側(cè)邊墻從樁號“溢0+018.00 m”處開始收縮,至渦室入水處將上平段的寬度由6 m 收縮為2.5 m,以保證水流進(jìn)入渦室后能夠正常起旋。引水道軸線方位N17.89°E,長30.76 m（溢0+018.00～溢0+048.76）,含調(diào)整段10.0 m 和收縮段20.76 m,其中調(diào)整段寬6.0 m～5.05 m,深9.84 m,底坡i=0,底板高程623.66 m；收縮段寬5.05 m～2.5 m,深13.94 m～9.84 m,設(shè)計底坡i=0.2,底板高程623.66 m～619.51 m,引水道上游側(cè)因臨近水庫,墻頂高程均與大壩防浪墻頂高程633.50 m 等高。

渦室段是使引水道水流形成穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)流的必要措施,渦室和豎井要保持過流通暢,必須使渦室和豎井內(nèi)的漩渦空腔保持通暢,否則可能導(dǎo)致渦室嗆水。大量的研究表明,渦室內(nèi)水流能順利起旋,其合理直徑是豎井直徑的1.3～1.7 倍,擬定直徑=7.0 m 的圓體結(jié)構(gòu)和渦室與引水道連接段組成,連接段左側(cè)采用直線使引水道左邊墻正好與渦室左邊相切。蝸室段總高19 m。

豎井作為旋流消能的主要設(shè)施,根據(jù)其基本原理,為充分發(fā)揮其作用,在豎井與渦室之間需設(shè)置連接漸變段,較長的漸變段可使渦室旋流下降進(jìn)入豎井過程中保持或增大水流對周壁的壓力；豎井底部為防止水流直接沖擊底板,井底應(yīng)低于退水洞底板高程,保持一定的水墊層。根據(jù)多項試驗經(jīng)驗和工程實踐表明,旋流豎井直徑一般由下式估算：

式中：Q 為最大流量根據(jù)整體模型中超泄能力試驗結(jié)果,校核水位時泄流量約為Q=135 m3/s；g 為重力加速度,m2/s；k為參變量,k=Fr0.05=1.061,其中Fr 為渦室進(jìn)口前行近水流佛汝德數(shù)。

考慮留有一定裕度,取豎井直徑D=5.0 m。

經(jīng)優(yōu)化布置,豎井總深41.75 m,包括與渦室連接漸變段、豎井中段、與退水洞（導(dǎo)流洞）連接段以及底部消力井；豎井與導(dǎo)流洞連接段上游側(cè)設(shè)砼堵頭封堵,下游側(cè)洞頂設(shè)長度為22.5 m 的壓板,壓板坡度為1∶15,壓坡末斷面洞高2.0 m。

退水洞利用導(dǎo)流洞改造形成,豎井中心線（溢0+052.00）位于導(dǎo)流洞“樁號0+036.60”處,洞寬4.5 m,直墻高4.5 m,頂拱中心角120°,設(shè)計底坡i=2.3%,出口底板高程580.18 m。

消力池設(shè)于退水洞末端,采用底流消能形式,消力池長18.0 m,寬4.5 m～6.5 m,末端設(shè)消力坎,坎頂高程578.50 m,消力池深1.0 m,末端下游左側(cè)設(shè)導(dǎo)墻將下泄洪水排入下游河道。

4 水工模型試驗成果

為驗證該泄洪建筑物體型布置及設(shè)計的合理性,對其進(jìn)行了水工模型試驗,對P=0.1%、P=2%、P=0.2%、P=3.33%、P=5%、P=10%、P=20%七種工況的泄洪能力進(jìn)行了復(fù)核,對下泄水流流態(tài)進(jìn)行了觀察,測量了泄洪洞沿程的壓力、水面線等,試驗結(jié)果表明：

（1）采用旋流豎井可以滿足泄洪消能要求；在校核水位時,泄流量約為142 m3/s,滿足設(shè)計要求；各工況下水流經(jīng)上平段調(diào)整,均能平順進(jìn)入渦室起旋。

（2）水流從實用堰下泄至溢洪道,水流向兩側(cè)壅高,因此上平段開始水深呈中間低,兩側(cè)高的狀態(tài),但經(jīng)隨后的收縮段及陡槽段的調(diào)整后,水深逐漸平緩,水流平順進(jìn)入渦室后順利起旋；水流在渦室內(nèi)順利起旋后,始終貼著渦室壁面以及豎井壁面流動。

（3）在豎井最下部,水流仍具有比較明顯的旋轉(zhuǎn)流動,產(chǎn)生的離心力使水流貼壁,壁面的壓力為正,避免了豎井壁面的空化空蝕破壞。

（4）水流進(jìn)入水墊時仍存在切向流速,水墊內(nèi)的水體在此渦量的作用下也旋轉(zhuǎn)起來,現(xiàn)場試驗證實,此流動形態(tài)有利于清除掉入水墊內(nèi)的較小的雜物（泥沙、碎石等）。

（5）水流經(jīng)過較長壓坡段的調(diào)整,流出有壓段進(jìn)入下平段后,水面比較平順,無不良流態(tài)出現(xiàn),不出現(xiàn)突然竄起較高的現(xiàn)象。

（6）隨著泄流量的減小,豎井旋流泄洪洞沿程水深逐漸減小,洞頂余幅也相應(yīng)增大,因此泄洪洞的運行更為安全。

（7）對下平段壓坡結(jié)束后斷面進(jìn)行了流速測量,最大流速為校核工況為14.79 m/s,其余均小于13 m/s,泄洪洞沒有空蝕危險。

（8）脈動壓力測量結(jié)果表明,渦室段、收縮段、豎井段的脈動壓力均不大,雖然存在低頻脈動,考慮到整個豎井埋在山體里,不是輕型結(jié)構(gòu),因此不會發(fā)生共振問題,無需進(jìn)行特殊處理；消力井出口處的壓坡段因水流紊動強烈,脈動壓力較大,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需做加強處理。

5 結(jié)語

選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的泄洪、消能建筑物,對加快山區(qū)河流開發(fā)有著積極意義,通過模型試驗,驗證了魁龍水庫泄洪建筑物設(shè)計的合理性和可行性,各工況條件下溢流堰均能滿足泄流需求,泄洪洞出口與下游河道銜接良好,泄洪建筑物結(jié)構(gòu)體型具有較好的泄流、消能和防沖效果,工程的實施可為類似不設(shè)閘旋流泄洪洞的規(guī)劃設(shè)計提供參考。