奮斗水庫重力壩溢流壩段的水力設計

尹玉順

(1.東北農業大學，哈爾濱150030;2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

1 工程概況

奮斗水庫行政區劃屬于黑龍江省穆棱市，距穆棱鎮東南14.1 km的穆棱河干流上游，壩址以上流域面積1 740 km2。是一座以灌溉、供水、防洪為主，兼顧發電等綜合利用的大型水庫工程。奮斗水庫總庫容為2.13×108m3，根據《防洪標準》(GB50201—94)及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)規定，大于1×108m3，為大(2)型，屬Ⅱ等工程;設計標準為:100 a一遇洪水設計，1 000 a一遇洪水校核。

樞紐主要建筑物包括:攔河壩、溢流壩、進水口、壩后式廠房等。攔河壩采用全斷面碾壓混凝土重力壩，壩頂高程387.80 m，防浪墻頂高程389.00 m，壩頂長391 m，最大壩高47.8 m，壩頂寬度6.5 m，基礎座落在弱風化層中部花崗巖，壩基進行固結灌漿和帷幕灌漿。溢流壩段位于主河床，分3孔，每孔凈寬10 m。壩式水電站引水建筑物布置在主河槽偏左側非溢流壩段，進水口采用壩式進水口，由進水口和壓力管道等組成。壩后式水電站廠房布置在溢流壩左側壩下45 m處，水電站主要建筑物由主廠房、副廠房、尾水渠、尾水擋土墻、回車場、升壓站、對外交通等組成。

2 溢流壩段布置

溢流壩段布置在主河床，分3孔，每孔凈寬10 m，中墩寬3 m，邊墩寬2.5 m，溢流壩段總寬41 m。工作門采用弧形閘門，由液壓啟閉機控制，弧門上游1.50 m處設檢修鋼閘門。

閘墩頂高程初步確定為389.00 m，交通橋和工作橋分開布置，交通橋布置在閘墩下游，橋寬6.5 m;為解決工作橋的布置，上游墩頭懸出上游壩面2.0 m，閘墩順水流長度為23 m。兩邊墩下游接導墻，墻身厚2.5 m，高程374.00 m以 1∶0.75斜坡至高程363.20 m，再以高程363.20 m延伸至挑流鼻坎末端。

溢流壩段的堰頂高程為376.00 m。溢流壩段的堰面曲線包括3個部分:溢流堰頂曲線段、壩面陡坡段和反弧挑坎段等。其中堰頂上游堰頭采用三圓弧，堰頂下游堰面采用WES型冪曲線，冪曲線方程為x1.85=13.682 y，壩面陡坡段坡比為1∶0.75，反弧段半徑為21 m，圓心角為81.25°。堰體順水流長度為47.69 m。下游采用挑流消能，挑流鼻坎末端高程為355.20 m，鼻坎挑角為28°。為防止泄洪時高速水流對溢流壩面的沖刷，堰面采用C40抗沖耐磨混凝土，厚1.0 m，閘墩及導墻采用C25抗沖耐磨混凝土。

為減小泄洪時水流對壩后電站尾水的影響，在溢流壩與廠房之間設置長度約80 m混凝土隔墻。

3 溢流壩段水力設計計算

3.1 堰形設計

采用WES型冪曲線，堰面曲線如圖所示，其體型參數按《混凝土重力壩設計規范》(SL319為2005)，見表1，堰面曲線見圖1。

表1 堰面曲線參數

圖1 堰面曲線示意圖

Hd為堰面曲線定型設計水頭，對于上游堰高 P1＞ 1.33 Hd的高堰，取Hd=(0.75～0.95)Hmax;Hmax為校核流量下的堰上水頭。

本次設計取Hd=0.85Hmax=9.605m，冪曲線為x1.85= 13.682 y;曲線后首先接坡度為1∶0.75的直線段;然后接半徑為21 m，圓心角為81.25°的反弧段，挑流鼻坎高程為355.20 m，鼻坎挑角為28°。

3.2 泄流能力計算

根據《溢洪道設計規范》(SL253—2000)，開敞式WES型實用堰的泄流能力按下列公式計算:(適用于H0/b≤1.0，當H0/b＞1.0時，H0/b仍取值1.0。)

式中:Q為流量，m3/s;B為溢流堰總凈寬，m;H0為計入流速水頭的堰上總水頭，m;m為流量系數;ε為側收縮影響系數; c為上游堰坡影響系數;ξ0為中墩形狀系數;ξK為邊墩形狀系數。泄流能力計算成果見表2。經驗算，泄流能力滿足設計要求。

3.3 堰面水面線計算

堰面水面線根據能量方程，用試算法計推求勢流水深hp，計算公式如下:

正交于壩面的壩面水深為:

單寬流量q為:

邊界層厚度δ為:

摻氣水深hb為:

式中:L為從堰頂曲線起點到點(Xi，Yi)的壩面距離;K為壩面粗糙高度，取K=0.427～0.61，mm;ζ為修正系數，一般為1.0～1.4。溢流壩段水面線計算成果見表3。

表2 泄流能力計算表

表3 水面線計算表

3.4 消能防沖設計

由于溢流壩段布置在主河床，河床基巖為花崗閃長巖。本工程水頭高，下泄流量大，基巖有一定的抗沖刷能力，下游消能型式宜采用挑流消能。經計算各工況下均能滿足消能要求，消能計算成果見表4。確定消能方式為挑流，按《混凝土重力壩設計規范》(SL319為2005)挑流消能公式計算。

a水舌挑距計算:

式中:L1為自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m;v1為鼻坎坎頂水面流速，m/s，按鼻坎處平均流速v的1.1倍計;θ為挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，°，θ=28°;h1為挑流鼻坎末端法向水深，m;h2為鼻坎坎頂至下游河床面高差，m。

b沖刷坑最大水墊深度按下式計算:

式中:T為自下游水面至坑底的最大水墊深度，m;q為鼻坎末端斷面單寬流量，m3/(s·m);H為上下游水位差，m;K為綜合沖刷系數，K=1.2。挑流消能計算成果見表4。

表4 挑流消能計算成果表

經計算，各工況下沖坑上游坡度，均緩于規范規定的1∶2.5，滿足規范要求，不會危及大壩的安全。

3.5 防空蝕設計

溢流壩堰頂附近的堰面負壓值，當校核洪水閘門全開時經查表計算，為1.921×9.81kPa，＜規范規定的6×9.81kPa，滿足要求。

4 結束語

本次溢流壩段的各項水力計算，均采用公式法，其中的各項系數，都存在一定的簡化和近似計算，一些細部的設計計算沒有實現，例如溢流壩的門槽、反弧段及其附近區域，溢流壩面流速＞20m/s的高速水流區都有可能發生空蝕破壞，需對泄水建筑物進行防空蝕設計。本次未對空化數進行計算，應由水力學模型試驗測得壩面的動水壓力值和流速值，再進行進一步的防空蝕設計。因此，對于大、中型工程，溢流壩段的堰面曲線、閘墩形式、門槽、堰面壓力、泄流能力和反弧半徑等，需經水工模型試驗驗證。

［1］江蘇省水利勘測設計研究院.SL265—2001水閘設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［2］水利部長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院.SL319—2005混凝土重力壩設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［3］水利部天津水利水電勘測設計研究院.SL253—2000溢洪道設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2000.

［4］中華人民共和國水利部.GB50201—94防洪標準［S］.北京:中國計劃出版社，1994.

［5］長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院.SL252—2000水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］.北京:中國水利水電出版社，2000.