溢洪道梯形擴(kuò)散式消力池結(jié)構(gòu)安全復(fù)核研究
——以觀洞水庫(kù)大壩分析

龔 勛

(廣東省惠州市華禹水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 惠州 516000)

0 引 言

我國(guó)現(xiàn)有8．7萬(wàn)余座水庫(kù)，大多建于20世紀(jì)50-70年代，限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)和施工條件制約，水庫(kù)普遍存在防洪標(biāo)準(zhǔn)低、工程質(zhì)量差等缺陷，加上長(zhǎng)期維修養(yǎng)護(hù)不夠，其中部分為病險(xiǎn)水庫(kù)。水庫(kù)大壩定期安全鑒定制度是掌握和認(rèn)定水庫(kù)安全狀況的手段，是水庫(kù)采取安全措施的依據(jù)。其中溢洪道消力池作為水庫(kù)體系中的重要組成部分，關(guān)系到水庫(kù)大壩汛期內(nèi)的泄洪安全。為了提高消力池的運(yùn)行效果，應(yīng)采取科學(xué)的措施和精準(zhǔn)的計(jì)算方法，對(duì)其結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行復(fù)核，以此鑒定溢洪道消力池是否滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

1 工程概況

觀洞水庫(kù)位于東江一級(jí)支流觀洞河上游，地處廣東惠州仲愷高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)潼湖鎮(zhèn)，離惠州市區(qū)25km，是一宗以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電、供水等綜合利用的中型水庫(kù)，水庫(kù)控制集雨面積41.6km2，總庫(kù)容為6223萬(wàn)m3，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，其主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。觀洞水庫(kù)樞紐工程由大壩(主壩一座、副壩兩座)、溢洪道、輸水涵管(兩座)以及壩后電站組成。經(jīng)復(fù)核，觀洞水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50a一遇(P=2%)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)1000a一遇(P=0.1%)。水庫(kù)死水位11.5m(珠基，下同)，對(duì)應(yīng)庫(kù)容715萬(wàn)m3；正常蓄水位20.00m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容4350萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水水位22.08m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容5448萬(wàn)m3；校核洪水水位23.37m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容6223萬(wàn)m3；灌溉面積1493hm2，保護(hù)人口約4.0萬(wàn)人。溢洪道位于主壩右側(cè)，進(jìn)口閘室控制段采用駝峰堰，溢洪道總長(zhǎng)131.9m，堰頂高程為19.00m，溢洪道總凈寬5.0m，設(shè)兩孔，每孔凈寬2.5m。采用鋼筋混凝土閘門(mén)控制，閘門(mén)尺寸為2.8m×2.4m(寬×高)，堰上部設(shè)啟閉機(jī)室，采用螺桿式啟閉機(jī)啟閉[1]。

2 溢洪道結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

觀洞水庫(kù)溢洪道水平投影長(zhǎng)度為131.90m，由進(jìn)水渠段、控制段、泄槽段、消力池段組成。由于該水庫(kù)溢洪道消力池為梯形擴(kuò)散式消力池，并非是標(biāo)準(zhǔn)的消能形式，《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253-2018)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范)并無(wú)相應(yīng)的復(fù)核計(jì)算方法，因此本次復(fù)核計(jì)算僅對(duì)其消力池段進(jìn)行安全復(fù)核，主要包括消力池消能防沖計(jì)算中的消力池深度、長(zhǎng)度計(jì)算等內(nèi)容。

消力池段水平投影長(zhǎng)10.4m，池底高程為5.20m，消力池池深0.6m，消力池底寬從6m擴(kuò)散到13m，池長(zhǎng)9.4m，側(cè)墻邊坡為1∶1。

2.1 計(jì)算工況

根據(jù)《規(guī)范》溢洪道消能防沖建筑物的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)：3級(jí)建筑物按30a一遇洪水設(shè)計(jì)。觀洞水庫(kù)為中型水庫(kù)，溢洪道為主要建筑，其等級(jí)為3級(jí)，因此，本次消能防沖復(fù)核計(jì)算洪水標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇設(shè)計(jì)洪水位(P=3.33%)：最大下泄流量為40.4m3/s，相應(yīng)上游庫(kù)水位21.87m，下游河床水位8.25m。

2.2 消能工復(fù)核計(jì)算

2.2.1 消能工簡(jiǎn)化分析

由于消力池為梯形擴(kuò)散式，平面上水躍前窄后寬，躍首斷面急流動(dòng)能處于中部，壓力動(dòng)量和分布不均，水躍流態(tài)較差，消能效率低。根據(jù)《規(guī)范》中推薦，盡量?jī)?yōu)先采用等寬、矩形斷面消力池，若采用擴(kuò)散或梯形斷面消力池，應(yīng)該保證池內(nèi)不發(fā)生側(cè)向回流，通常需經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證確定。本溢洪道消力為梯形擴(kuò)散式消力池，水流條件復(fù)雜，進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

1)將梯形斷面簡(jiǎn)化為矩形斷面，參照《規(guī)范》中底流消能工進(jìn)行計(jì)算；

2)本溢洪道消力池?cái)U(kuò)散角為20度，由底寬6m擴(kuò)散至13m，漸變段長(zhǎng)度僅9.4m。消力池?cái)U(kuò)散角為20度明顯偏大，參照《規(guī)范》，計(jì)算出的躍后水深為等寬矩形消力池的0.68倍，可不設(shè)消力池，不合實(shí)際情況。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》，擴(kuò)散型水躍屬于三元水躍，但實(shí)際工程中的擴(kuò)散型消力池，為防止池水流脫離邊墻產(chǎn)生立軸漩渦，兩側(cè)邊墻的擴(kuò)散角取值通常都不大，一般按來(lái)流弗勞德數(shù)?。?/p>

由上式可求得α=6°，(k取1.5)，本次計(jì)算溢洪道消力池?cái)U(kuò)散角按6度取進(jìn)行以下計(jì)算。

2.2.2 計(jì)算方法的擬定

在本次復(fù)核計(jì)算中，可分別采用兩種不同的計(jì)算方式進(jìn)行復(fù)核，具體如下：

1)為按照底流式消能工進(jìn)行計(jì)算，對(duì)消力坎高、消力池深度與長(zhǎng)度進(jìn)行直接計(jì)算；

2)按照明渠恒定非均勻漸變流水面曲線進(jìn)行計(jì)算，得出泄槽末端收縮水深度后，再按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)消力池的深度、長(zhǎng)度等進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)計(jì)算手冊(cè)內(nèi)容得出消力坎的高度。

2.2.3 第一種計(jì)算方法

該溢洪道采用的是綜合消能方式，按照計(jì)算手冊(cè)的內(nèi)容，應(yīng)采用水躍共軛水深公式進(jìn)行計(jì)算，其中收縮斷面的水深計(jì)算公式為：

(1)

式中：E01代表的是上游總能頭；q代表的是單寬流量；f1代表的是建筑物流速系數(shù)。

在共軛水深計(jì)算時(shí)，可結(jié)合消力池平面圖，如下圖1所示。

圖1 消力池平面示意圖

(2)

池體長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

LK=(0.7-0.8)L

(3)

池體深度的計(jì)算公式為：

(4)

式中：σ代表的是安全系數(shù)，取值為1.05；Ht代表的是下游水深；f2代表的是池出口位置的流速系數(shù)。

消力坎高度的計(jì)算公式為：

(5)

式中：P代表的是淹沒(méi)系數(shù)，在自由溢流狀態(tài)下，該數(shù)值取值為1.0；m代表的是流量系數(shù)；S代表的是消力池深度，消力坎式為0。采用《水利水電PC1500程序集》D-25消能計(jì)算程序，并發(fā)揮計(jì)算機(jī)的輔助作用，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，池深為0.86m，長(zhǎng)度為15.64m，消力坎的高度為1.83m。

2.2.4 第二種計(jì)算方法

按照規(guī)范要求，泄槽水流摻氣水深的計(jì)算公式為：

(6)

式中：h代表的是斷面水深；hb代表的是斷面摻氣后的水深，m；v代表的是不摻氣時(shí)泄槽斷面的流速，單位為m/s；ξ代表的是修正系數(shù)，取值范圍為1.0-1.4s/m，在文章研究中數(shù)值取1.2。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，泄槽末端水深為0.527m，流速為12.777m/s。

擴(kuò)散矩形消力池的水躍共軛深度計(jì)算公式為：

(7)

式中：Fr代表的是斷面弗汝德數(shù)；h2代表的是斷面水深，m；v1代表的是斷面流速，m/s；b1代表的是躍前寬度，數(shù)值為6m；b2代表的是躍后寬度，數(shù)值為7.79m。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，F(xiàn)r的數(shù)值為5.62，h2的數(shù)值為3.41；

池體深度為d=σh2-ht-△Z=1.05×3.41-2.45-0.246=0.88m；

池體長(zhǎng)度為：Lk=0.8×18.8=15.04m；

坎高為：S=σh2-d-H1=1.05×3.41-0.6-0.84=2.14m；

2.3 消能工復(fù)核結(jié)果

本次通過(guò)兩種方法復(fù)核消能建筑物尺寸列于表1和表2。

表1 第一種方法計(jì)算復(fù)核結(jié)果與原設(shè)計(jì)消能建筑物尺寸對(duì)照表

表2 第二種方法計(jì)算復(fù)核結(jié)果與原設(shè)計(jì)消能建筑物尺寸對(duì)照表

通過(guò)上述兩種方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)復(fù)核結(jié)果進(jìn)行分析。消力池的長(zhǎng)度及深度均不滿足要求，水躍將溢出池外，對(duì)下游海漫產(chǎn)生一定的沖刷破壞，故而該溢洪道消能工與安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)不相符合[3]。

3 結(jié) 論

綜上所述，在水庫(kù)體系運(yùn)行中，溢洪道消力池結(jié)構(gòu)屬于重要內(nèi)容，其結(jié)構(gòu)安全對(duì)整體水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)具有直接影響。對(duì)此，應(yīng)積極采取有效的除險(xiǎn)加固措施，確保水庫(kù)工程能夠健康持久運(yùn)行。