馱英水庫溢洪道設計要點分析及工程處理措施

張祖航，董薔薇

（1.北海河海水利水電設計院有限責任公司，廣西北海 536000；2.南寧職業技術學院，南寧 530007）

1 工程概況

馱英水庫為大II型水庫工程。工程由攔河壩、溢洪道、泄洪隧洞、灌溉發電進水口及下游護岸等建筑物組成，其中溢洪道工程設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為2000 年一遇；下游消能防沖建筑物洪水標準為50年一遇。

溢洪道布置在推薦壩址右岸山坡上，沿岸坡開挖、局部回填而成，全長約420.1 m，由進水渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎組成。溢洪道中心線方位角為SW 72°17'8″，與壩軸線的夾角為60.74°，出口與下游河道夾角約16°。

（1）進水渠段。進水渠段全長約159 m，由進口喇叭段和漸變段組成，分別長119 m及40 m，漸變段底板面高程為213 m，控制堰前沿凈寬39 m。進口喇叭段兩側邊坡由1∶0.75 漸變至1∶0，采用衡重式混凝土擋土墻護坡。全渠段兩側岸坡坡比為1∶

0.5～1∶1.25。

（2）控制段。控制段溢流堰采用岸邊閘控開敞式無坎寬頂堰型式，上游側與進水渠相接，下游采用y=0.01x2的拋物線與泄槽陡坡段相銜接，溢流堰堰頂高程為213 m，溢流堰堰頂布置3扇11 m×14 m（寬×高）弧形工作閘門擋水，3孔溢流堰共用1扇平板檢修閘門，閘頂布置有檢修門的門式起重機、工作門的液壓啟閉機房和交通橋。控制段閘室壩軸線方向總寬度46 m，順水流向長28.5 m，閘室底板厚3.5 m，邊墩厚3.5 m，中墩厚3 m。壩頂高程為234.5 m。

（3）泄槽段。泄槽段水平總長206.7 m，展開總長209.92 m，采用矩形斷面，凈寬39 m，設計底坡i=0.18，底板厚1.0 m，泄槽底部設Φ200縱向排水盲管及Φ150橫向排水盲管。

（4）挑流鼻坎。挑流鼻坎段中心線長25.9 m，起始端采用半徑為37 m的反弧挑流段與泄槽相接，鼻坎挑射角為θ＝30°，鼻坎頂高程為181.362 m；左側邊墻采用重力式，右側邊墻采用衡重式，起始段和末端的頂高程分別為184.500 m 和189.162 m，中間采用1∶4.7坡度連接。

溢洪道縱剖面詳見圖1。

圖1 溢洪道縱剖面圖

2 溢流堰泄流能力計算

2.1 理論計算

采用《溢洪道設計規范》（SL253-2018）（A.2.3）寬頂堰泄流計算公式進行溢洪道溢流堰泄流計算。溢洪道溢流堰前設長約159 m的進水渠段與庫水位連接，進水渠由進口喇叭段和漸變段組成，分別119 m及40 m，漸變段底板面高程為213 m，控制堰前沿凈寬39 m。因此，溢洪道泄流能力計算采用的堰前水位為大壩壩前水位減去進水渠水位降。通過計算，未考慮進水渠水位降的泄流曲線見表1，考慮進水渠水位降的泄流曲線見表2。對比可知，下泄相同流量時，兩條泄流曲線的水位相差0.417～0.557 m。

表1 未考慮進水渠水位降的泄流曲線

表2 考慮進水渠水位降的泄流曲線

2.2 模型實驗

通過1∶50溢洪道單體模型試驗，量測分析了溢洪道泄流能力、流態、進水渠流速、壓力、水面線等水力學參數，通過模型實驗的驗證，進水渠會有水位降，大概0.5 m左右，實驗數據更接近表2的計算成果。

2.3 實施工程措施

泄流曲線采用的數據為表2 的成果，確定校核洪水位、設計洪水位、正常蓄水位進行溢洪道的結構設計。

3 泄槽段設計要點

3.1 理論計算

按照規范水力學計算公式發現，泄槽段的水流流速超過25 m/s，水流空化數較低，需要在泄槽內設置泄槽內宜設置摻氣設施，以減免泄槽過流底面的空蝕破壞。

泄槽段的水流流速超過25 m/s，泄槽段的沖刷較嚴重，泄槽表層混凝土需要進行抗沖設計。

3.2 模型實驗

通過1∶50溢洪道單體模型試驗，由于泄槽中下段水流流速較大，超過30 m/s，水流空化數低于0.30，依據有關規定，泄槽內宜設置摻氣設施，以減免泄槽過流底面的空蝕破壞。根據試驗得到的壓力特性與水流空化數等，擬定在溢洪道泄槽下游樁號0+176.17 m處設置摻氣坎。共進行了3個方案的比選研究。

3.2.1 方案1

摻氣坎方案1 體型尺寸見圖2。摻氣坎挑坎長度為3.93 m，坎面坡度為1∶8，挑坎高度0.49 m，跌坎高度為1.11 m，坡面為平坡；通氣孔設置在泄槽兩側，其斷面為圓形，管半徑0.9 m。

圖2 摻氣坎方案1體型尺寸

摻氣坎上部水舌底緣摻氣，并呈拋物線形態入射至摻氣坎下游底板，水舌入射方向與溢洪道底板呈一定夾角，入射點上下游水流流向相反，部分摻氣水流流向下游，另一部分水流摻氣回溯至上游摻氣坎內，摻氣坎內積水較深，空腔穩定性與通透性較差。

各運行工況下，隨流量的增大，水舌底緣水平長度減小，坎內積水增加，空腔體積減小。校核工況時，水舌底緣水平長度為7～8 m，坎內積水深度0.5～0.9 m，跌坎內積水水面與水舌底緣頻繁搭接。

3.2.2 方案2

方案2 在方案1 基礎上，挑坎高度由0.49 m 增大為0.98 m，摻氣坎挑坎長度由3.93 m 延長為7.85 m。摻氣坎體型尺寸見圖3。

圖3 方案2摻氣坎體型尺寸

相比方案1，方案2 在大流量時摻氣坎內流態有所改善。校核工況時，水舌底緣水平長度增大為13～14 m，空腔體積有所增大，摻氣坎內積水深度較大，為0.8～1.3 m，空腔體積相對有所增大，坎內積水水面與水舌底緣時而搭接，空腔通透度性與穩定性仍較差。

3.2.3 方案3

方案3 在方案2 基礎上，摻氣坎挑坎坡比由方案2 的1∶8 增大為1∶5，挑坎長度由方案2 的7.85 m增大為8.16 m，挑坎高度由0.98 m 增大為1.63 m。方案3摻氣坎體型尺寸見圖4。

圖4 方案3摻氣坎體型尺寸

方案3 在大流量條件下摻氣坎處形成了通透的、具有一定長度的穩定空腔，空腔下游水流摻氣充分。方案3 摻氣坎體型作為推薦摻氣坎體型，并在此基礎上進行典型工況試驗研究。

3.3 工程實施措施

（1）在溢0+176.170增加了摻氣坎，尺寸詳見方案3。泄槽底板采用1 m厚C40HF抗沖耐磨混凝土。

（2）HF抗沖耐磨混凝土，此混凝土屬于新型材料，在混凝土中增加適量的HF外加劑，提高了混凝土的原有性能，能很多好的解決溢洪道泄槽段高流速抗沖耐磨防空蝕等問題。

4 挑流鼻坎段設計要點

（1）理論計算。按50 年一遇水位進行消能防沖計算，溢洪道出口為挑流消能，根據理論計算，坎面流速超過32 m/s，屬于高速水頭，需考慮建筑物表層的抗沖耐磨。水舌拋距110 m。

（2）模型實驗。當弧門開度為0.5 m、1.0 m 時，下泄流量較小，出挑流鼻坎水流未起挑而跌至下游河道，需要進行坎下護坦設計，防止坎底被掏空；當弧門開度較大時，水流以拋物線形態挑射至下游河道，水舌挑距為70 m～110 m，當下泄流量增大時，水舌沖刷到右岸山體，不利于邊坡穩定，需要增加處理措施。

（3）實施工程措施。挑流鼻坎坎下設4 m厚的C25（3）混凝土護坦，防止坎底被未起挑跌落的水舌破壞，進而影響結構的安全以及邊坡的穩定安全。挑流鼻坎末端右側增加了4 m 長10%的貼角，用于改變水舌的方向，避免沖刷右岸山體，以利于邊坡穩定。挑流鼻坎的面層設1 m 厚C40（2）HF 抗沖耐磨混凝土，解決挑流鼻坎段高流速抗沖耐磨防空蝕等問題。

5 結語

大型水庫泄洪建筑物的結構安全涉及整個水庫安全問題，不同的工程根據條件的限制，都有其需要重點考慮的技術問題，馱英水庫溢洪道工程通過理論計算及水工模型的試驗，既能驗證理論計算及設計的正確性，又能彌補理論計算考慮不到的許多涉及安全的設計，從而確保整個工程的安全。總結如下：

（1）進水渠較長的溢洪道在進行溢流堰泄流能力計算，堰前水位不能直接采用壩前水位進行設計，需考慮進水渠的水位降。

（2）泄槽流速超過30 m/s，水流空化數低于0.30，依據有關規定，泄槽內宜設置摻氣設施，以減免過流底面的空蝕破壞，并利用模型試驗優化了摻氣坎布置及尺寸。

（3）采用新型材料C40（2）HF 抗沖耐磨混凝土，能很多好的解決溢洪道泄槽段高流速抗沖耐磨防空蝕等問題。

（4）挑流鼻坎末端右側增加了4 m長10%的貼角，用于改變水舌的方向，避免沖刷右岸山體，以利于邊坡穩定。