淺析溢流堰消能結構型式優化設計方案

黎志敏，嚴志康

（中鐵水利水電規劃設計集團有限公司,江西 南昌 330029）

1 工程概況及方案布置

1.1 概況設計

近年來,鷹潭市總體經濟高速增長,為進一步惠及人民,解決鷹潭地區缺水等問題,鷹潭市政府決定在信江支流上游修建樞紐工程。該樞紐工程位于貴溪市文坊鎮,羅塘河上游雷家山峽谷段,距貴溪市中心城區49 km,正常設計蓄水位高程為132.00 m,總設計庫容1.09×108m3。該水利樞紐洪水工程是一座具有較大綜合效益的大（2）型水利樞紐工程,主要以供水、灌溉為主,結合防洪,兼顧水利發電等。

該水利樞紐工程為Ⅱ等工程,根據《水利水電等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）[1],永久性的大型建筑物洪水等級為2 級,砼和大型重力攔水大壩按照國際相應的二級洪水重現標準分別進行工程重現期：洪水工程設計100 年,校核1000 年；消能發電裝置的工程設計按照洪水重現標準再之后發生的工程重現洪水階段一般是50 年。次要的民用建筑物基本等級為3 級,臨時性的建筑物基本等級為4級,根據其建筑結構整體形狀和建筑型式,根據其結構型式,確定其洪水標準。

1.2 砼重力壩方案布置

水庫的正常蓄水位為132.00 m,設計洪水位高程為132.78 m,校核洪水位高程為133.54 m,汛限水位為130.50 m。該工程為砼重力大壩,坐落于峽谷中間,發電引水系統分別布置于右壩段,采用一管二機的型式引水,廠房分別布置于右壩段下游側約180 m處,采用壩后岸邊式的地面清晰廠房的型式,溢流堰分別布置于水道河床中部,采用挑流式的消能型式。

該工程大壩的總壩頂高度約為134.00 m ,大壩的河床施工基面高度約為95.00 m ,最大壩高度約為39.00 m ,最小壩頂寬度約為6.00 m,壩體中心軸線總長165. 00 m 。壩內布置一條橫跨縱向的基礎帷幕式灌漿及地下排水廊道,廊道底板總高程100.50 m ,廊道采用城門洞型,尺寸為2.5 m×3.5 m,在大壩內部設置交通廊道,出口設置在大壩下游靠岸坡處[2]。壩體典型剖面見圖1。

圖1 壩體典型剖面圖

溢流壩段位于河床的中間部位,長31.00 m,采用WES實用堰型,堰頂高程126.00 m,溢流凈寬3（孔）×8.00 m,采用三扇弧形門控制[3]。溢流壩采用挑流消能。在右岸非溢流壩段前設分層取水口,取水口底板高程106.50 m,孔寬2.0 m,設攔污柵和四層工作閘門。攔污柵為平面滑動式鋼柵,工作閘門為平面定輪鋼閘門,啟閉設備為卷揚式啟閉機[3]。壩頂設置啟閉閘房,壩身設管線直徑2.50 m的壓力鋼管,采用一管二機加備用輸水管線布置。

2 模型設計

2.1 原理

模型實驗的基本原理主要是一種通過等比例縮小或者使用等比實驗對象來建立一個模型的分析,對其中的一個模型進行分析,從而獲得相關實驗數據,以此數據作為對比原型實體并查找不足。試驗對象是按照一定的比例縮小并與實際結構相一致的試驗構件代表,具有與原型相似或基本相同的特征。代表物的受力是通過對采用原材料相似而制成的與原型相似試驗體上施加相同比例的荷載而得到的,從而可以得到與原型結構在實際運行工作下相同的結構試驗。

實體模型根據模型相似理論可分為材料、幾何、物理等三種相似,因此模型的分析結果可推算實際原型的運行工作情況。本次實驗采用彈性模型對實體模型進行試驗分析。

2.2 模擬范圍

結合工程現狀情況,模型模擬范圍為庫區至壩軸線以上260 m處；地形至137 m高程,下游河道至壩軸線以下約400 m處；地形至112 m高程,模擬總長度約660 m。

2.3 設計方案

該工程大型溢流堰段主要部分布置在小型大理石拱壩河床中間100 m處,長31.00 m,溢流壩段主要部分采用WES實用式溢流堰型,壩體最大溢流高程126.00 m,溢流凈寬3（孔）×8.00 m,溢流壩段主要部分采用大型挑流壩段消能,最大泄流量為1071.00 m3/s。

根據國家相關規范及現場實際要求,模型中的幾何比尺設計為40,溢流堰等各類建筑物的模型均按一定比例使用有機玻璃板進行精制,以充分滿足建筑物的水流湍動和阻力相似度要求,庫區及其河道地形均采用水泥砂漿抹面。模型河道平面尺寸控制精度±5 mm,建筑物尺寸控制精度±0.5 mm,安裝高程誤差小于±0.3 mm[4]。模型平面圖見圖2。

圖2 模型平面圖見圖

模型流量用標準薄壁矩形堰量測；時均動水壓強用測壓管量測；流速根據其大小采用畢托管或旋槳式光電流速流向儀量測；水流流態采用直尺量測、高倍像素相機拍攝的方法記錄[4]。

2.4 設計工況

工況1：校核洪水,庫水位133.54 m,泄洪流量1071.00 m3/s,下游河道水位109.81 m。

工況2：設計洪水,庫水位132.78 m,下游河道水位108.89 m。

工況3：消能防沖水位,庫水位132.69 m,下游河道水位108.79 m。

工況4：正常蓄水位,庫水位132.00 m。

工況5：防汛限制水位,庫水位130.50 m。

3 溢流堰的結構型式優化設計方案試驗

3.1 原方案試驗分析

利用試驗模型對溢流堰的泄流能力、水流流態、時均動水壓強在原方案情況下進行模擬分析。分析表明,在校核洪水工況下,實測溢流堰的泄洪流量1071.69 m3/s,比設計值（1071 m3/s）略大,泄流能力滿足要求。

溢流堰閘門全開泄洪時,受右側電站取水口的影響,右邊孔進口形成繞流,見圖3 和圖4；左側受側收縮的影響而導致水面略有下凹,這種現象隨庫水位的升高而更為明顯。水流過堰后,在中隔墩后形成較高的水翅,防汛限制水位下尤為明顯,實測最大水翅高度為4.0 m（高出水面）,見圖5。

圖3 設計洪水水流流態

圖4 校核洪水水流流態

圖5 原方案敦后水翅（防洪限制水位130.5 m）

溢流堰閘門全開泄洪時,在設計洪水工況下,溢流堰面沒有出現負壓；校核洪水工況下,溢流堰面局部區域出現負壓,實測最大負壓值為0.57 m水柱（按重力相似準則換算）,沒有超過規范要求。

綜上實驗結果表明,溢流堰的總體布局及其體型設計合理,泄流容量和能力均可以滿足要求,但溢流堰右邊孔進口前存在回流,邊墩繞流顯著,隔墩后形成水翅。說明溢流堰進口及中隔墩墩尾仍存在優化的可能性。

3.2 優化設計

在溢流堰右側邊墩與電站取水口左側邊墩之間設置一道導流墻,導流墻體型為1/4 橢圓,為懸掛式,頂高程為134.00 m,底高程為125.00 m,將原方案溢流堰中隔墩的墩尾由半圓型式改為子彈頭型式,并將中隔墩延長4 m,墩尾為直立式（高出水面）,見圖6。

圖6 修改后的中隔墩墩尾

3.3 優化方案分析

庫區來流平順,溢流堰閘門全開泄洪時,右側增設了導流墻,原方案中繞流現象消失。

在中隔墩后增加了子彈頭形尾墩,墩后水翅較原方案明顯減小,見圖6,在校核洪水、設計洪水和防洪限制水位工況下,實測最大水翅高度分別為1.6 m、1.2 m和0.8 m；溢流堰為挑流消能,在各種泄洪工況下,均能形成挑流水舌。

下游河道的流速分布總體上呈現右向左大左小的分布,主流偏向右側,左側則形成了回流地帶。在校準備核定洪水、設計洪水和消能防沖等特殊情況下,實測右岸（扶壁式擋墻）最大流速分別為5.38 m/s、3.53 m/s和3.48 m/s；壩腳處最大回流流速小于0.3 m/s,壩腳不會受到沖刷。

在設計洪水和消能防沖洪水工況下,溢流堰面未出現負壓；在校核洪水和設計洪水工況（閘門局部開啟）下,溢流堰面的局部區域出現負壓,實測最大負壓值為0.57 m水柱（規范允許值為6 m水柱）；溢流堰面時均動水壓強分布無異常,溢流堰體型合理。

4 結論

（1）本工程溢流堰總體布置及設計合理,溢流堰進口及中隔墩墩尾體型需要進一步優化；試驗中對原方案體型進行了優化,在溢流堰右側增設導流墻及中隔墩后增加子彈頭形尾墩,試驗表明此優化方案合理。

（2）在溢流堰右側增設導流墻,溢流堰閘門全開泄洪時,原方案中繞流消失,孔內水流平穩；中隔墩后增加了子彈頭形尾墩,墩后水翅較原方案明顯減小,在防洪限制水位時,墩后水翅由原方案的4.0 m減小至0.8 m。

（3）在設計洪水和消能防沖洪水工況下,溢流堰面未出現負壓；在校核洪水工況下,溢流堰面的局部區域出現負壓,但未超過規范允許值,溢流堰體型設計合理。