孤山子水庫溢洪道設計及水力特性分析

□李 根 □王圣海 □王健驍 □齊 奇

（1遼寧省農村水利建設管理局；2遼寧省江河流域管理局）

1 工程概況

孤山子水庫位于遼寧葫蘆島市建昌縣魏家嶺鄉孤山子村，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養魚等綜合利用的水利樞紐工程。孤山子水庫溢洪道存在的主要問題有以下幾個方面：（1）溢洪道堰頂高程低于規劃正常蓄水位；（2）壩肩式溢洪道泄槽巖石風化，無襯護和消能防沖設施；（3）無交通橋；（4）導流堤出現貫通裂縫，左岸導流堤留有過路口，行洪時洪水外溢，危及大壩安全。（5）右岸為強風化花崗巖，無護岸，抗沖能力差。因此，工程擬在原址重新修建溢洪道，新建溢洪道設計要解決抗沖能力低、沖刷破壞嚴重的問題；合理的消能防沖設計能夠保證良好的水流流態，確保水庫的安全運行。

2 溢洪道消能設施設計方案比選

2.1 方案設計

2.1.1 方案一挑流消能方案：挑流消能的挑坎布置于樁號0+165處，挑流鼻坎采用鋼筋混凝土結構，凈寬34.80m，挑坎高程為155.88m。挑坎反弧半徑為12.70m，鼻坎挑射角26°，反弧最低點高程154.88m；挑流鼻坎末端設齒墻，齒墻底高程為149.75m；挑射距離23.00m，沖坑底高程147.50m，順水流方向長2.00m，沖坑上游按坡比1:4對巖石削坡，沖坑下游以1:3.5倒坡與出水渠相接；兩側按1:1.5開挖整治，并用M10漿砌石護坡。

2.1.2 方案二底流消能方案：底流消能按地形應將泄槽向下游延伸75m，消能采用挖深式鋼筋混凝土消力池，其中陡坡段長4m，坡比1:4，底板厚0.40m，下設C15混凝土墊層，厚0.10m；消力池底板設PVC排水管和0.50m厚碎石反濾層；消力坎底頂寬0.80m，頂高程150.50m，與出水渠段齊平。

2.2 方案比選

消能設施工程量及經濟技術比較詳見表1，出于工程任務量以及資金的考慮，決定采用挑流消能型式。

3 溢洪道結構設計與相關參數計算

3.1 主要結構設計

新建溢洪道沿原溢洪道布置，溢洪道主要由進水渠、控制段、泄槽、消能設施及出水渠組成。根據方案比選，溢洪道消能型式采用挑流消能，其他主要結構設計如下：

3.1.1 進水渠

進口布置成對稱的喇叭口形式，上游采用鋼筋混凝土水平防滲，鋪蓋長20m，閘上游翼墻均采用鋼筋混凝土扶臂式結構。

3.1.2 控制段

控制段為5孔溢洪閘，閘室段采用整體式結構，順水流方向長15m，垂直水流方向寬37m。交通橋布置在閘室下游側，設計荷載標準為公路—Ⅱ級；工作橋采用T型梁結構，上設啟閉機房；檢修便橋采用鋼筋混凝土板式結構，布置在閘室上游側；橋頭堡位于溢洪閘右岸，右岸碾壓砂殼料筑平臺并與山坡相接。

3.1.3 泄槽段

泄槽為鋼筋混凝土結構，采用等寬矩形斷面，凈寬34.80m，長147.50m；岸墻采用全對稱布置，采用鋼筋混凝土懸臂式結構；泄槽末端采用挑流消能。

3.1.4 出水渠

出水渠總長150m，渠底比降為1:200，凈寬31m；兩岸按1:1.5坡比進行護砌；在出口處向河道上、下游各護砌40m，采用圓弧曲線與出水渠護坡連接。

表1 溢洪道方案設計比較結果表

3.2 泄槽段水力計算

3.2.1 起始斷面位置及其水深

《溢洪道設計規范》中有規定，泄槽上游接閘室底板，起始計算斷面定在泄槽首部，水深取用泄槽首端斷面計算的臨界水深hk。臨界水深（hk）和臨界邊坡（JK）的計算公式如下：

式中：b、q分別為泄槽底寬（m）和單寬流量（m3/s），b=34.80m；θ 為泄槽底坡與水平方向的夾角（°），θ=1.023°；λJ為水力參數；α、g分別為動能修正系數和重力加速度，取α=1.0；g=10m/s2。

3.2.2 水流流態判別

根據計算結果判別各種頻率洪水水流流態。

3.3 消能防沖水力計算

洪水經挑流消能后流入下游出水渠，在保證能形成自由挑流的情況下，挑坎高程可略低于下游最高水位，經比較確定挑坎高程為155.88m。挑坎為連續等寬式，根據規定挑流鼻坎反弧半徑取值為反弧最低點最大水深的6～12倍。經比較之后，確定挑坎反弧半徑和鼻坎挑射角分別為12.70m和24°，反弧最低點高程154.88m，反弧上游與泄槽底板切線連接，挑坎反弧始點樁號0+159.28，終點樁號0+165。挑流水舌外緣挑距與沖坑最大水墊深度計算根據相關規范進行。

4 水力特性分析

4.1 斷面流態

圖1 兩種工況下不同斷面水流流態圖

分析圖1（a）和（b）可知，兩種工況條件下，水閘后方的水流橫向水面都出現了明顯的不穩定現象，出現這一狀況的原因是水流在閘墩后發生繞流，使得斷面水流出現波動。從圖1（c）中可以看出，斷面水流受到漸變段束水效果的影響，在漸變段末端出現折沖水流和“菱形波”，呈現中間斷面水深高于兩岸水深的水流流態。

4.2 底板壓強

底板壓強是檢驗工程質量的一項重要指標，它能夠反映水工建筑底板及邊墻的設計載荷，如某部位底板壓強較小或出現負壓，則容易產生空化、空蝕破壞。圖2為兩種工況下模擬與數值計算底板壓強對比，分析可知，模擬的沿程壓強分布與理論計算的結果大體吻合，并且新建溢洪道在模擬中未出現負壓情況。

圖2 兩種工況下模擬與數值計算底板壓強分布對比圖5結語

溢洪道是水利工程中一種常見的泄水建筑物，其結構功能受工程地質條件、工程結構以及工程整體布置等條件限制，并且溢洪道結構設計以及工程布置會對泄流的水力特性產生較大的影響。孤山子水庫參照相似地區工程實踐，通過對比分析，最終確定溢洪道合理的結構和工程布置形態；理論計算與數值模擬結果相吻合，水流流態符合工程要求，進一步驗證了工程設計的合理性。

[1]楊權利.淺談涼馬水庫溢洪道設計與施工方案的確定[J].陜西水利，2013（6）.

[2]楊亞斌，李新.洞巴水電站高陡槽溢洪道挑流鼻坎體型優化試驗研究[J].廣東水利水電，2009(2)：28-30.

[3]閆濱，郭超，郭成久，強麗峰.溢洪道陡槽設置導流墻對挑流消能的影響[J].水電能源科學，2010（12）：35-38.

[4]王繼保，張守磊.威遠江水電站溢洪道挑流鼻坎數值模擬研究[J].人民長江，2010(8)：92-95.