基于水庫除險加固工程溢洪道閘墩尾部體型優化研究
——以葠窩水庫為例

李 冰

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

1 水庫概況

葠窩水庫建于遼陽市境內的太子河干流，正常蓄水位96.6m，最高水位102.0m，最大庫容7.91億m3，控制流域6175km2，是一座兼具供水、灌溉、防洪、發電、旅游和養殖等功能于一體的大型水利工程。水庫大壩全長532m，最大壩高50.30m，壩頂高程103.50m，該混凝土重力壩主要由電站壩段、溢流壩段和擋水壩段構成。其中，溢流壩段設有溢流表孔14個，以右側主河床為主。工程建設和設計標準偏低，經長期運行水庫大壩滲漏損失逐年加大，各種病害不斷加劇，嚴重影響著工程效益的發揮，汛期一旦發生險情必將對下游居民安全構成潛在威脅。因此，當地政府積極籌措資金對葠窩水庫實施除險加固，工程范圍覆蓋電站壩段、溢流壩段和擋水壩段加固，廊道、通氣孔、閘門井、大壩施工縫等部位裂縫處理，底孔改造與加固，電站、底孔、溢洪道、溢流排水等設備安裝，大壩岸坡防護以及下游河道治理，排水溝、交通路、橋涵、碼頭以及水庫安全監測系統改造等[1-3]。

2 試驗設計

2.1 模型設計

采用水工模型試驗研究下游河岸沖刷以及河床淤積問題，優化設計溢洪道體系和布置，科學確定下游消能防護型式及其范圍，通過合理分析和處置試驗中發現的問題，進一步揭示溢流壩段水力學特征，為葠窩水庫除險加固方案設計提供一定支持。

遵循重力相似準則合理設計模型，結合水工建筑物的集合尺寸以及葠窩水庫原型的水流特征，考慮試驗精度的實際需求合理設計水工模型幾何比尺為100。根據葠窩水庫布置實際情況確定模型模擬范圍：上游最高地形略高于壩頂高程(模擬至105.0m)，以溢流壩中心線的兩側各300m作為橫向模擬區，下游最高地形模擬至65.0m，兩側適當預留觀測平臺，上、下游至壩軸線以上500m和壩軸線以下580m。采用磚石水泥砂漿砌筑水工模型模擬的河床部分，利用有機玻璃制作表孔溢洪道，抹面水泥砂漿為1∶2。模擬過程中，控制模型的水平誤差不超過10mm，高程誤差不超高0.20mm[4]。

2.2 工況設計

采用太子河干流水文資料和葠窩水庫設計資料，擬設計三種水工模型模擬工況：設計洪水工況的庫水位98.95m(工況一)、校核洪水工況的庫水位98.75m(工況二)、消能防沖洪水工況的庫水位95.50m(工況3)。

2.3 模型沙選擇

根據葠窩水庫的地質資料確定下游河道覆蓋層和溢流壩段水墊塘基巖的抗沖流速為2.0-2.5m/s、4.0-5.0m/s。針對模型沙的粒徑考慮利用抗沖流速經驗公式估算，水工模型中的基巖部分抗沖料和下游河道覆蓋層抗沖料選擇粒徑為8.0mm、2.0%的白云砂，可利用以下經驗公式模擬計算抗沖流速v，即：

(1)

式中：k為模型系數(m0.5/s)；D為抗沖粒徑，mm。

3 原始方案試驗結果

3.1 溢流壩原始設計方案

葠窩水庫堰頂高程95.80m，溢流壩段長274.20m，14個溢流表孔由12m×12m的14扇弧形鋼閘門控制。溢流堰堰面呈拋物線，曲線方程為y=0.0538x1.85，下游泄流槽(寬185.0m)與堰面后相接，大壩下游坡度與底坡坡度相同均為1∶0.75，挑流鼻坎設于泄流槽的后部，其挑角18.2°，半徑達到30.0m[6-9]。

3.2 試驗結果分析

采用水工模型模擬分析三種試驗工況下的溢流壩原始設計方案，深入分析采集與觀測的數據：①在泄流能力方面，原始設計方案的溢流壩段能夠完全滿足需求，表明溢流表孔設計尺寸以及溢流壩的堰頂高程符合科學合理性要求；②工況一、工況二條件下堰頂部分區域出現負壓區，但負壓值較低不會引起顯著的水流空化現象，能夠保證溢流壩的安全運行，沿程水深變化與泄槽段壓力變化保持一致，并且都為正值，說明陡坡段與堰面曲線設計合理；③上游庫區水流流態平衡且正常蓄水位情況下基本為靜水區，水庫溢流壩段無產生橫向水流；④溢流壩表孔的進水口來水比較順暢，前水面也較為開闊，下游泄槽內水流受到墩尾體型的影響流態較差，產生約8m高的水冠。泄流表孔全開的條件下泄槽內產生對稱折沖水流，而不對稱開放孔口閘門的情況下則出現不對稱折沖水流，并進一步引起水流沖擊邊墻。所以，有必要進一步優化閘墩尾部設計方案，對原設計方案做出適當的調整。

3.3 溢洪道閘墩尾部梯形優化

1)優化方案一：考慮到有7-8m左右的無水區分布于表孔溢洪道中隔墻墩下游處，受下泄水流沖擊后形成較高的水冠，使得泄槽內水流流態整體偏差。所以，將兩個半徑為8m的半圓弧尖頭閘墩設置在墩尾下游，設計水平長度5.60m，從而生成優化方案一。采用水工模型模擬優化方案一，結果顯示沿尖頭閘墩的圓弧水流流向下游，這雖然降低了水冠高度(約6m)并且出現在下游，但并未解決水冠問題，仍需進一步優化設計改善泄槽內的水流流態。

2)優化方案二：結合方案一試驗數據，設計成圓弧面的閘墩墩尾體型有利于改善水流流態，在一定程度上減小水冠高度。因此，考慮以優化方案一為基準進一步增大半圓弧半徑，半徑從8m加大至10m，使下泄水流流線與尖頭閘墩曲面更加溫和，通過降低水流匯流夾角減小泄槽內的水冠高度。為維持溢洪道的整體設計不發生改變，向上游把墩尾末端移動1m，設計水面線以上斷面仍為矩形。采用水工模型模擬優化方案二，結果發現泄槽內的水冠高度減小到5.0m，進一步改善了水流流態，但挑流鼻坎上游仍為水冠的落點處，這并不會明顯改變鼻坎的水舌形態。

3)優化方案三：采用公式x2/2.252+y2/6.22=1生成方案三，采用水工模型模擬優化方案三，墩尾下游形成的水翅在中墩兩側泄流表孔開度不同時會向開口小的一側偏移，泄槽內產生的水冠厚度較小、高度較低約為3.0m，但會發生左右搖擺，從而增大了水化的濺水范圍，水流形態相對較差；3種工況下挑流鼻坎上游均為水冠的落點處，這并不會明顯改變鼻坎的水舌形態。

4)優化方案四：結合方案三模擬結果，水流的交匯點與墩頭末端的距離隨墩尾流線型變化的增大而增加，水流流態也就更差，考慮到以上情況直接將墩頭設計成較小的半圓形，從而生成方案四。采用水工模型模擬優化方案四，結果發現在墩頭下游約3.0m處水流可以交匯，但由于泄槽坡度較大所產生的水冠高度依然較高，在挑流鼻坎的上游18m有水冠的落點處，基本不會改變挑流鼻坎出流水舌。

5)優化方案五：綜合考慮以上問題和各方案的優劣情況，延長方案二中的中墩長度，并向下游延長6.0m使其處于摻氣挑坎末端，從而聲場方案五。采用水工模型模擬優化方案五，結果顯示摻氣挑坎末端與隔墩末端的延伸相接可以有效阻斷相鄰水流交互碰撞，在3種設計工況下均未形成水冠；相鄰泄流表孔開度不同時泄流槽內也未產生濺水現象，從而徹底解決了水冠引起的水流流態較差問題。因此，閘墩下游表孔溢洪道重建工程應選擇優化設計方案五，并將其作為最優推薦方案[10-15]。

4 結 論

文章利用物理模型研究了葠窩水庫除險加固原設計方案，通過模擬分析探討了原設計方案的溢洪道水流水利特征，并優化設計了閘墩尾部體型，從根本上解決了下游泄槽段所存在的問題，經優化設計泄槽段水流平穩、無濺水現象且水冠消失，可作為閘墩下游表孔溢洪道重建工程優選方案。