黃土梁峁溝壑區水庫泄洪建筑物布置及選型研究

陳居乾

(甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

隴山山地是黃土高原地貌的主要分布區，呈現“千溝萬壑”的特殊景觀，黃土梁峁溝壑地貌是其主要類型特征，受水蝕及風蝕作用，侵蝕切割強烈，水土流失嚴重，顯著特點為地形支離破碎，梁峁密布，溝壑縱橫，溝深坡陡，溝(河)谷蜿蜒曲折。黃土梁峁溝壑區山地屬構造剝蝕低中山區，黃土殘塬與溝(河)谷發育，溝(河)谷較開闊時呈不對稱“U”型，以側向侵蝕為主，兩岸不對稱發育Ⅰ級階地，階面較平坦；兩岸谷坡較陡時呈“V”型或陡崖深谷狀，以下切侵蝕為主，溝(河)谷狹窄，兩岸無階地。區內新老黃土廣泛分布，最厚達200m，結構稍密—中密，不良物理地質現象主要為黃土自重或非自重濕餡性、溯源侵蝕、風化、卸荷、滑坡及崩塌。黃土梁峁溝壑區典型地貌如圖1所示。

圖1 黃土梁峁溝壑區典型地形地貌

黃土梁峁溝壑區地形地貌獨特，修建水庫工程具有其特殊性。水庫泄洪建筑物布置及選型需根據特殊的梁峁溝壑地形研究論證，以保證技術可靠、運行安全及經濟合理。本文結合甘肅省平涼市莊浪縣梁河水庫泄洪建筑物工程布置及選型工作實踐，對黃土梁峁溝壑區水庫泄洪建筑物布置及選型進行研究。

梁河水庫位于渭河流域六盤山山地構造剝蝕低中山區，為典型的黃土梁峁溝壑區，總庫容165.4萬 m3，工程規模為Ⅳ等小(1)型，主要建筑物級別為4級，工程系統由大壩、泄洪及取水建筑物構成，大壩壩型為均質土壩，最大壩高41.7m，參與布置及選型研究的泄洪建筑物為岸邊開敞式溢洪道(溢洪洞)、豎井式溢洪道，以及有閘控制泄洪排沙洞(兼導流洞)。水庫防洪標準按30年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核，相應洪峰流量分別為60.1、146.0m3/s，消能防沖建筑物按20年一遇洪水設計，相應洪峰流量48.2m3/s。

1 泄洪建筑物傳統布置方式及主要問題

黃土梁峁溝壑區主溝(河)狹窄，深谷陡崖，兩岸梁峁密布，溝壑縱橫，通常無天然埡口布置泄洪建筑物溢洪道，溝(河)岸式溢洪道需穿越多道梁峁與溝壑，與泄洪排沙洞同岸或分岸布置。溢洪道傳統布置型式主要存在高邊坡、高填方、軟弱地基處理等諸多問題，運行存在較大安全隱患。高邊坡多為濕陷性黃土及表層軟弱覆蓋層，極易滑塌堵塞泄流明槽，高邊坡與軟弱地基處理、高填方總體工程量大，投資高。上壩道路與溢洪道同岸布置時相互交叉或平行，岸坡開挖量及邊坡高度增加較多，工程布置與技術經濟條件更差。

若將陡坡明槽溢洪道改為溢洪洞，隨可避免軟弱地基，不需穿梁峁、跨溝壑形成高邊坡和高填方，保證運行安全，但工程投資顯著增加。溝(河)岸式溢洪洞屬淺埋隧洞，通常圍巖工程地質條件較差，開挖掘進及一次支護施工具復雜性，施工難度相對溢洪道未降低，且進出口仍存在高邊坡問題。總體分析，溢洪洞方案仍不具備明顯技術經濟優越性。

2 溢洪道及泄洪洞結合布置型式

為解決溝(河)岸式溢洪道傳統布置型式存在的主要問題，采用將溢洪道(溢洪洞)與泄洪排沙洞合二為一相互結合布置共用泄洪洞技術方案。由于溢洪道(溢洪洞)為表孔，泄洪排沙洞為底孔，為此，溢洪道(溢洪洞)采用豎井式[1-5]，底部與泄洪排沙洞共用1條泄洪洞。

梁河水庫根據庫壩區上下游地形及地質條件，泄洪建筑物布置于河道右岸，豎井式溢洪道(溢流井)與泄洪排沙閘相互結合構成整體岸邊塔式進水口，溢流井布置于塔身兩側，由井頂三面開敞自由溢流倒拋物線型實用堰、中部過渡段、下部井身段及井底消能水墊塘組成[1-7]，塔身中部為泄洪排沙閘，閘后銜接漸變洞段、洞身段及出口消能段。塔式進水口平面布置如圖2所示。

圖2 塔式進水口平面布置(單位：mm)

3 泄洪建筑物總體設計

溢流井堰頂高程以水庫正常蓄水位控制，按高于正常蓄水位5.0 cm設計。依水庫運行方式及防洪調度設計原則，遇設計標準及其以下洪水時，泄洪排沙閘單獨泄洪，遇設計標準以上、校核標準及超標洪水時，泄洪排沙閘與溢流井聯合泄洪。適當加大泄洪排沙閘泄量，以沖沙清淤保持庫容，按泄洪排沙閘承擔約三分之二總泄量、溢流井承擔約三分之一總泄量的設計原則進行水力學計算與調洪演算，確定泄洪排沙閘孔口與井頂溢流堰尺寸，以及相應庫水位。

進水塔塔頂單側溢流堰堰長23.52m，矩型斷面溢流井平面尺寸為井頂13.4(長)×5.06m(寬)、井身段及井底水墊塘7.28(長)×2.0m(寬)，井頂堰高0.86m，過渡段高14.49m，坡比1:0.15，井身段高7.3m，總井深22.65m，井底與閘底板同高，井底下游設置擋墻，形成深1.0m消能水墊塘[4-9]。泄洪排沙閘為帶胸墻深潛孔式，閘室長18.0m，結構總寬5.5m，孔口尺寸2.5(寬)×2.4m(高)，胸墻前后設置平板檢修閘門及弧型工作閘門，塔頂設置工作橋與壩頂相接。

塔式進水口通過漸變洞段與泄洪洞相接，漸變洞段洞長20.0m，洞內布設長5.0m溢流井導流墩；洞身段全長292.01m，前段洞長40.62m處為半徑80.0m、圓心角40.0°的轉彎洞段；洞出口為總長55.0m的漸變擴散段與底流式消能工，接泄洪渠入河道。泄洪洞采用圓拱直墻平底板“城門洞”型窄深式斷面，凈寬3.6m、凈高4.6m，縱坡1/11.5，一次噴錨鋼拱架及二次現澆鋼筋混凝土的復合式支護襯砌結構。塔式進水口縱橫剖面如圖3—5所示。

圖3 泄洪排沙閘縱剖面(單位：mm)

圖4 塔式進水口橫剖面(單位：mm)

圖5 溢流井縱剖面(單位：mm)

設計標準洪水工況泄洪排沙閘單獨泄流量60.1m3/s，相應設計洪水位(正常蓄水位)2183.60m，溢流井堰頂高程2183.65m；校核標準洪水工況溢流井泄流量43.8m3/s，泄洪排沙閘泄流量92.5m3/s，聯合總泄流量136.3m3/s，相應校核洪水位2184.40m，調洪庫容8.1萬m3，死水位2163.00m。大壩壩頂設置高1.2m防浪墻，墻頂高程2186.40m，壩頂高程2185.20m。

4 泄洪建筑物水力學試驗研究及驗證優化

4.1 試驗研究重點內容及目的

按重力并兼顧阻力相似準則，滿足水流運動與動力特征等技術特性相似原則，建立幾何比尺為1∶40的泄洪建筑物完整實體模型，開展整體水工模型試驗研究，重點研究驗證塔式進水口及泄洪洞結構體型、泄洪能力、率定庫水位—泄流量關系曲線、率定弧門不同開啟度泄流曲線、水流流態與流速分布、溢流井井底水墊塘水力狀況與消能效果、動水壓力特性，以及泄洪洞水面線與明滿流交替狀況[5-17]，并全面優化泄洪建筑物結構體型及穩定水面波動措施。

4.2 先期試驗研究成果及分析

4.2.1豎井式溢洪道泄洪能力

經試驗研究驗證，泄洪排沙閘關閉，溢流井單獨泄洪，設計調洪校核洪水位2184.40m時，泄流量為75.2m3/s(最大泄流量)，相應堰上水頭0.75m，泄流量Q與庫水位Z關系曲線如圖6所示。

圖6 溢流井單獨泄洪Q—Z關系曲線

4.2.2泄洪排沙閘不同開啟度泄洪能力

經試驗研究驗證，泄洪排沙閘開啟度為1/4(孔口高0.6m)、1/2(孔口高1.2m)與3/4(孔口高1.8m)，以及全開(孔口高2.4m)時，設計調洪校核洪水位2184.40m工況下，泄流量分別為25.0、48.5、71.5、134.0m3/s，不同開啟度泄流量Q與庫水位Z關系曲線如圖7所示。

圖7 泄洪排沙閘不同開啟度泄洪Q—Z關系曲線

4.2.3聯合泄洪能力

經試驗研究驗證，校核標準洪水工況下，泄洪排沙閘全開與溢流井同步運行，當聯合泄流量達146.0m3/s時，庫水位為2184.06m，低于設計調洪校核洪水位2184.40m，泄洪建筑物聯合泄洪能力滿足要求，泄洪規模設計合理，其中庫水位達溢流井堰頂高程2183.65m時，泄洪排沙閘全開泄流量為131.0m3/s。聯合泄流量Q與庫水位Z關系曲線如圖8所示。

圖8 泄洪建筑物聯合泄洪Q—Z關系曲線

4.2.4水流流態及消能效果

經試驗研究驗證，設計洪水位(正常蓄水位)工況泄洪排沙閘全開單獨泄洪，溢流井井身無負壓與空蝕，水流通過短壓力進水口后擴散，漸變洞段內水流流態復雜，波動強烈，撞擊閘室墩墻及洞身側墻后急劇抬升形成“水翅”，隨泄流量增大，“水翅”沖擊泄洪洞洞頂。校核洪水位工況泄洪排沙閘與溢流井聯合泄洪，井身無負壓與空蝕，過堰水流跌落至井底躍起，與過閘水流匯集進入泄洪洞，進水口段水流流態異常復雜，井內水流流態紊動劇烈，井底水墊塘消能效果差。隨泄流量增大，泄洪洞洞內水流呈低壓—明滿流交替狀態，全線流態不穩定。

4.3 優化技術方案試驗研究

在先期試驗研究成果的基礎上，為改善水流流態，增強消能效果，重點按校核標準洪水泄洪工況，對溢流井井底水墊塘及漸變洞段的結構體型與水流流態進一步通過試驗研究優化[5-17]。

4.3.1溢流井井底水墊塘優化

溢流井井底水墊塘深度設置1.0m增至1.5、2.0、3.0、4.0m多種技術方案，并優化體型為WES型溢流堰[4-12]，同時將漸變洞段下移5.0m，起始于溢流井導流墩末端進行試驗研究。經試驗研究驗證，并結合水流流態及消能效果分析，井底深3.0m的WES型溢流堰水墊塘技術方案堰高體型較優，堰面無脫流，堰體對水流調節作用及流線轉折適應性良好。水流經深3.0m水墊塘出流后，消能效果明顯，漸變洞段內水流流態大為改善，且堰體不影響短壓力進水口自由出流。試驗研究驗證表明，溢流井井底設置足夠深度水墊塘及其溢流堰調整水流，控制水流紊動強烈摻混區位于水體中下部，減緩水體表面波動，利于和下游水流順暢銜接是關鍵。塔式進水口平面布置及溢流井井底水墊塘優化如圖9—10所示。

圖9 塔式進水口優化平面布置(單位：mm)

4.3.2洞內削波穩流措施

根據類似工程實踐及水力學試驗研究成功案例，采取漸變洞段設置削波壓水板措施消除水面波動及“水翅”穩定水流[17]。依據削波板不同布設高度及縱向長度多方案試驗研究驗證，增設削波板可有效改善水流流態。削波板布設位置過高消除“水翅”效果減弱，過低影響泄流，以按下游洞段斷面控制，布設于洞身頂拱起拱線部位，起始于進水口之后3.0m處，縱向長度27.62m技術方案為較優，其中漸變洞段內長22.0m，橫寬等同洞寬。漸變洞段削波穩流優化措施如圖10所示。

圖10 溢流井井底水墊塘及漸變洞段優化縱剖面(單位：mm)

4.4 優化技術方案水流流態及流速分布

按水庫泄洪運行方式，在設計、校核與消能防沖高標準洪水，以及10年與5年低標準常遇洪水泄洪工況下，對優化后的泄洪建筑物沿程水流流態及流速分布進行了全面試驗研究驗證[5-17]，泄洪工況及其相應成果見表1。

表1 泄洪工況及其試驗研究優化成果

試驗研究表明，優化技術方案不同標準洪水泄洪工況，泄洪排沙閘進流平順，閘前無偏流、回流及吸氣漩渦等不良流態，水流經短壓力進水口順暢下泄，不沖擊弧門支鉸。溢流井泄流水體經溢流堰跌入井底水墊塘，翻滾強烈，消能充分，過堰水流緊貼堰面無脫流，經漸變洞段入下游洞身，對短壓力進水口自由出流無影響。泄洪排沙閘單獨泄洪時，漸變洞段過閘主流集中于中部，并向兩側擴散，形成斜向沖擊波；溢流井參與聯合泄洪時，井底過堰水流對漸變洞段洞身兩側擴散水流所形成的水面波動及斜向沖擊波具有良好的壓制減弱作用。

試驗研究表明，削波板對穩定水流流態、減弱水面波動、消減轉彎洞段水流特征，以及消除“水翅”作用顯著。轉彎洞段水面未達洞頂，外側高于內側，存在水面差，隨泄量降低，彎道水流特征顯著趨緩。受轉彎洞段影響，下游直線洞段水面存在一定波動，但泄流順暢，無不利流態，沿程斷面平均水深及流速見表2所列。洞身最大水深低于側墻頂0.3m，最小凈空2.1m、凈空率70.4%，滿足技術要求，最大流速超15.0m/s，屬高速水流，需采用高強抗沖耐磨鋼筋混凝土襯砌。

表2 泄洪洞沿程斷面平均水深及流速

總體分析評價，不同標準洪水泄洪工況，優化技術方案泄洪建筑物沿程水流流態及消能效果明顯改善，泄洪洞洞頂凈空較大，無明滿流交替狀況，無不良流態，泄洪順暢，優化技術方案及削波穩流措施合理有效。

4.5 優化技術方案時均壓力特性

試驗研究表明，泄洪建筑物優化技術方案沿程表面動水壓力分布正常，無負壓空蝕，結構體型合理[5-17]。表面時均動水壓力見表3。

表3 泄洪建筑物沿程表面時均動水壓力

5 結語

水庫泄洪建筑物豎井式溢洪道與泄洪排沙閘相互結合，構成整體岸邊塔式進水口共用泄洪洞技術方案布置型式，全面解決了黃土梁峁溝壑區水庫溝(河)岸式溢洪道傳統布置型式存在的主要問題，且建筑及臨建工程投資可節省15.0%以上，效果良好。工程實踐及研究成果具一定普遍性，可為黃土梁峁溝壑區及類似地理特征區中小型水庫泄洪建筑物工程布置與設計提供良好借鑒。整體岸邊塔式進水口建筑物規模較大，對地基特性要求高，漸變洞段跨度大，開挖掘進需增強一次支護措施，工程布置與設計需注重考慮，對于大型水庫及其高泄洪量建筑物工程應用存在一定局限性。