淺談水工模型試驗在石壁水庫溢洪道加固優化設計的應用

黃慶壇

(泉州市石壁水庫管理處，福建 泉州 362342)

1 工程概況

石壁水庫位于泉州市南安大盈溪上游，建于1955年12月，壩址以上控制流域面積79.6km2，水庫總庫容6147萬m3，設計正常蓄水位62.00m，相應庫容為4860萬m3，死水位28.11m，多年平均降雨量1623.3mm，多年平均徑流量6623.1萬m3。水庫下游有沈海高速公路、324國道，關系到安海鎮、水頭鎮20多萬人口中、6600多hm2的農田安全，是一座以灌溉為主、具有防洪、供水等綜合效益的重要中型水庫。

2010年，經過安全評價、福建省水利廳安全鑒定，水利部大壩安全管理中心核查，認定水庫大壩為“三類壩”。水庫工程經過50多年的運行，逐步進入老化狀態，加上建設初期設計標準較低、部分樞紐主要建筑物的安全狀態已不能滿足現行規范的要求，存在隱患或工程問題，急需進行加固改造。2011年3月，泉州市石壁水庫管理處委托福建省水利水電勘測設計研究院承擔石壁水庫除險加固工程設計工作。

2 加固方案

對于溢洪道閘室：在上部閘室拆除時，一并拆除現有的漿砌石溢流面，而后按原有的溢流堰面線型，在堰體上重新澆筑C30鋼筋混凝土溢流面，但尾部反弧曲線適當調整，最低高程提高至52.5m，現澆溢流面鋼筋混凝土厚0.8m，堰頂高程58.11m。新建閘室分3孔布置，單孔凈寬12.0m，溢流總凈寬36.0m，中墩厚2.0m，順水流方向長15.0m；保留的現有邊墩采取外包鋼筋混凝土加固，厚1.0m。新建閘頂啟閉房平面尺寸42.0m×5.0m，單層結構，啟閉房地面高程69.2m，內安裝3臺QH2×150kN型弧門啟閉機，用于操作溢洪道閘門的啟閉。

對于溢洪道泄槽段：在現有泄槽底板上蓋面澆筑一層0.29m厚的C30鋼筋混凝土，在現澆底板和基礎之間布設系統錨桿拉結，錨桿采用Φ20鋼筋砂漿錨桿，長2.5m，錨桿一端錨入基巖，另一端露頭與蓋面澆筑的混凝土面層鋼筋焊接。底板上布置系統排水孔，排水孔孔徑7.5cm，孔深入基巖1.0m，采取2.0m×3.0m矩形布置。近閘室下游邊墻外包C30混凝土漸變段左岸長16.25m，右岸長16.5m，混凝土厚1.0m-0.6m，貼面混凝土與現有邊墻間布設系統錨桿拉結，錨桿采用Φ16鋼筋砂漿錨桿，長1.5-2.5m。樁號Z0+082.60以下陡槽邊墻采取在迎水面外包C30鋼筋混凝土加固，以提高邊墻的抗沖能力，外包混凝土厚0.5m，面層配置網狀鋼筋，墻頂通過壓頂混凝土，提高與原有邊墻間的整體性；樁號Z0+110.10以下陡槽邊墻墻頂戴帽加高0.5-0.8m，加高墻背平臺回填砂性土，面層采用M10漿砌方正石護砌，厚0.3m；樁號Z0+187.95-Z0+221.10段邊墻結合消力池擴建，采取拆除重建的加固方案，新建邊墻采取C30埋石混凝土結構。

對于溢洪道消力池：消力池擴建包括加大池深0.5m，向上游延長消力池長度15m，加高下游雍水檻堰頂高程0.5m。兩側新建邊墻采用C30埋石混凝土結構、衡重式擋墻斷面，墻身高5.5-11.3m，墻頂高程25.1-30.9m，底板厚0.5m，基礎落于開挖后的弱風化基巖上，邊墻墻背基坑回填砂性土，墻頂平整1.2-8.25m寬平臺，而后修坡1:1.5與現有的岸坡地形銜接，墻背填土平臺和坡面采用M10水泥砂漿砌方正石護砌，厚0.6-1.1m，石料利用泄槽邊墻拆除的方正石。

3 水工模型提出

省發改委在初步設計批復要求：施工圖設計階段，設計單位應細化溢洪道的設計方案。在組織施工圖審查時，與會專家提出，設計單位對于溢洪道的計算，主要是理論計算及數模計算，而石壁水庫溢洪道消力池很長、且出口流道呈90°急彎，水流流態極端復雜，數模難以模擬出水流的實際流態，應通過水工模型，檢驗理論計算，優化溢洪道設計，確保加固后效果。2014年4月，石壁水庫管理處委托南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開展溢洪道水工物理模型試驗工作。

4 水工模型實施

接到水工模型任務后，2014年9月，南京水利科學研究院完成模型的初步驗證試驗工作。2014年10月，建設單位組織設計和試驗等單位代表，對溢洪道水工物理模型初步試驗成果進行研討，對進一步完善驗證試驗、優化溢洪道布置與建筑物結構體型、推進優化方案試驗等工作提出建議和意見。2014年11月，根據中間成果研討意見，南京水利科學研究院完成模型試驗的后續研究工作。2015年1月，泉州市水利局組織有關單位代表，同時邀請部分專家，對溢洪道水工物理模型試驗成果進行驗收。驗收意見認為由南京水利科學研究院完成的泉州市石壁水庫溢洪道水工物理模型試驗采用的技術線路正確、模型設計合理、試驗方法得當、測試手段先進，符合相關規程規范的規定，資料翔實、成果可信，滿足試驗技術任務書的要求。至此，溢洪道水工物理模型試驗研究工作終結。

通過水工模型，發現以下問題：

1)現有的閘墩體型在尾部容易產生菱形波，試驗過程觀測到的菱形波影響范圍廣，水面雍高嚴重，導致平面上形成了較大的橫向水位差，并發展到下游，至消力池前全流段都有分裂發展的小型、多重菱形波，影響了斷面內的流速和水深分布。

2)由于兩側邊墻收縮影響，50.90m高程平臺會在兩側邊墻附近形成急流沖擊波，尤其在樁號Y0+050.84斷面的右側，有一個約7.0°偏轉角，試驗發現，在各種工況時，該位置形成的沖擊波范圍最大，影響最明顯；沖擊波的存在也導致橫向水位和流速差，在與菱形波交匯后，進一步交錯疊加，加劇了斷面水流的不均勻程度。

3)由于下游壅水檻雍高的影響，在下泄較小流量條件時，消力池內的水躍形態多為淹沒水躍，水躍躍前斷面大多位于消力池上游1∶4斜坡段內，這樣，一方面較大的淹沒度降低了水躍消能的效率，另一方面彎道出水槽內水位過高也加大了消力池出口的波浪爬高，對工程安全形成不利影響。

5 加固方案優化

根據模型試驗結果，在原設計加固方案基礎上，水工模型優化試驗主要進行以下幾點調整：

1)優化調整泄洪閘中墩墩尾下部結構體型，并在中墩墩尾下游增設一堵高3.0-0.4m，長8.0m，厚度2.0-0.4m的尾翼。

2)泄槽右邊墻樁號Y0+035.10至樁號Y0+082.60之間以直線相連，直線輪廓面與現有右邊墻立面之間的空腔采用C30鋼筋混凝土回填，將原Y0+050.84斷面位置近7.0°偏轉角調整為近4.0°。

3)取消原設計的下游雍水檻加高培厚方案，并在消力池尾坎斷面增設一道高3.0m的消力檻[2]。

根據水工模型試驗成果，設計單位重新出設計變更施工圖，施工單位于2015年8月施工，2015年11月完工。

6 方案優化效果

石壁水庫除險加固工程溢洪道加固項目于2006年1月建成入運行投使用，到現在已經歷了4個汛期的考驗，溢洪道也經歷了2個汛期(2016、2017年)長時間的泄洪和啟閉，水庫最高蓄水位也達到正常蓄水位62.0m，超過汛限水位61.0m運行有149d，泄洪天數達到136d，最大泄洪量達到40m3/s。但由于總體泄洪量級偏小，不能很好地運證水工模型成效，有待大流量下泄進行檢驗。

不過通過日常的小流量下泄的運行中，可以發現溢洪道閘室溢流堰下游水流流態的改善。在增設了中墩尾翼進行體型優化后，能大幅消弱菱形波尺寸，降低雍起高度，減小影響區域，明顯改善水流流態，取得了很好的成效，達到了除險加固成效，水工模型發揮了重要的作用,為安全運行提供了保障，成果可供工程設計參考采用。