新地溝水庫溢洪道布置形式和消能參數設計

陳 凱

（新疆昌源水務集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

擬建的新地溝水庫是一座以農業灌溉、防洪和工業供水為主的小（1）型水庫，工程等別Ⅳ等，主要建筑物級別4 級，次要建筑物及臨時建筑物級別5 級。工程由大壩、導流放水沖砂隧洞、溢洪道等建筑物組成。水庫總庫容500 萬m3，死庫容70 萬m3，興利庫容345 萬m3，防洪庫容85 萬m3。泄水建筑物消能防沖設計洪水標準20 a一遇，相應洪峰流量32.07 m3/s，主要針對溢洪道布置和消能方案進行分析。

2 溢洪道布置形式及泄流能力分析

2.1 布置形式設計

2.1.1 溢洪道堰型確定

新地溝水庫溢洪道堰型可設計為側堰和正堰2種形式[1]，2種形式工程量及投資額對比詳見表1，最終確定側堰布置形式。

表1 側堰和正堰2種布置形式對比

2.1.2 正槽開敞式溢洪道設計

本溢洪道為正槽開敞式，堰頂寬度7.0 m，主要由引渠段、控制段、泄槽段、消能段、出口護坦段組成，總長305 m，結構如圖1所示[2]。

圖1 溢洪道結構示意

（1）引渠段。引渠段長約21 m，口寬由12 m 漸變至7.0 m，邊墻高由3.0 m 漸變至5.8 m，采用C25F200W6鋼筋混凝土澆筑，底坡為0。

（2）控制段。控制段長12 m，溢流堰型采用WES實用堰，無閘控制，堰高1.0 m，邊墻頂部設置交通橋與壩頂相通。

（3）泄槽段。泄槽段（分一、二段）長154 m，底板寬6 m，厚0.6 m，邊墻高7.3～5.0 m。泄槽段根據地形條件，設計縱坡為0.039，采用普通泄槽，首端底高程1 744.50 m，末端底高程1 738.25 m。泄槽末端設5.5 m深的防沖齒墻，采用C20F200毛石混凝土澆筑。齒墻內需設置排水孔，利于排水，以降低消力池底板揚壓力，排水孔采用PVC 管材，孔徑0.1 m，間距2.0 m，排距2.0 m，共3排，呈梅花形布置，排水管坡度傾向下游。

2.2 泄流能力計算

本溢洪道采用無閘控制，堰型采用WES 實用堰，最高水位（校核洪水位）1 750.8 m，設計洪水位1 749.5 m，堰頂高程1 747.0 m。根據相關規范規定，實用堰泄流能力采用下式計算[3]：

式中：H0為堰前總水頭（m）；m為流量系數；g為重力加速度（m/s2）；B為堰寬（m）。

溢洪道泄流計算結果，詳見表2。從表2 可知，溢洪道泄流能力滿足水庫調洪演算要求，設計泄量為38.8 m3/s，校核泄量為93.19 m3/s。

表2 溢洪道泄流能力計算結果

3 溢洪道消能參數設計分析

本溢洪道采用底流消能形式，分為傳統型和跌坎型2 種[4]。下面，針對這2 種消能形式，采用建立物理模型方式進行對比，確定最優方案。

3.1 物理模型設計

本工程物理模型的水庫、溢洪道引渠段采用混凝土砂漿制作，控制段及以后段均采用有機玻璃制作，各參數比例詳見表3。

表3 物理模型各參數比例

對于水位和水頭，采用精度為0.1 mm 的水位測針測量；對于動態水壓和流速，采用LS-401D 型直讀式流速儀測量；模型流量由量水堰控制[5]。

3.2 2種消能方案試驗結果

以水流空化數σ和流速v2 個參數來評價消能效果，其中σ越大表明空化現象越弱，可有效減弱消力池的空蝕破壞，計算公式如下[6]：

式中：h0為來流參考斷面壓力水頭（m）；ha為大氣壓力水柱（m）；hv為水的氣化壓力水柱（m）；v0為來流參考斷面平均水速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。

2種方案分別選取了5個參考斷面，如圖2—3所示。

圖2 傳統底流消能方式消力池流態和流速（校核泄量下）

3.2.1 傳統底流消能結果

（1）當溢洪道處于設計泄量38.8 m3/s時，經計算得消力池的水流空化數σ=0.46，大于臨界值0.3，發生空化可能性較小。消能位置處于中部，消能水體穩定，沒有產生遠驅式水越，消能效果顯著。

（2）當溢洪道處于校核泄量93.19 m3/s 時，經計算得消力池的水流空化數σ=0.32，已經接近臨界值0.3，極有可能發生空化現象。消力池流態和流速情況，如圖2 所示。由圖2 可知：①通過泄槽二段進入消力池時，溢0+186.177斷面水深h=3.48 m，臨底流速vs=18.05 m/s，達到最大值，表面流速ve=4.9 m/s；②水流進入消力池后，臨底流速vs在不斷減小，在離開消力池時降至2.5 m/s，而表面流速ve則不斷增大，離開消力池時達到5.91 m/s，上下流速差值最大達到11.0 m/s，這會影響消力池水體的穩定性，導致水面波動劇烈，且產生遠驅式水躍現象，這是不利現象，只能通過加大消力池長度去解決[7]。

3.2.2 跌坎型底流消能結果

（1）當溢洪道處于設計泄量38.8 m3/s時，經計算得消力池的水流空化數σ=0.52，大于臨界值0.3，發生空化可能性較小。消能位置處于中部，消能水體穩定，沒有產生遠驅式水躍現象，消能效果顯著。

（2）當溢洪道處于校核泄量93.19 m3/s 時，經計算得消力池的水流空化數σ=0.41，明顯大于臨界值0.3，發生空化可能性較小。消力池流態和流速情況，如圖3所示。

圖3 跌坎型底流消能方式消力池流態和流速（校核泄量下）

由圖3 可知：①通過泄槽二段進入消力池時，溢0+186.177斷面水深h=4.76 m，臨底流速vs=16.62 m/s，達到最大值，表面流速ve=4.9 m/s；②水流進入消力池后，臨底流速vs在不斷減小，在離開消力池時降至2.1 m/s，而表面流速ve則呈現先減小后增大現象，且臨底與表面流速差值最大為4.39 m/s，相比于傳統底流消能方式得到了極大改善，無需加長消力池。

3.3 消力池具體參數設計

根據模擬試驗，消力池總長度最小控制在15 m，底寬10 m，池深1.0 m，側墻高5.0 m，跌坎高度1.3 m，計算公式如下：

式中：Fr為弗勞德數；θ為挑角（°）；h為坎上水深（m）。

消力池段為矩形斷面鋼筋混凝土整體結構，采用C25F200W6 鋼筋混凝土澆筑，底板厚度0.8 m，下設10 cm厚C15素混凝土墊層，邊壁厚度0.4～1.0 m，消力池段結構分縫長度為10 m。底板后10 m 需設置排水孔，采用PVC 管材，孔徑0.1 m，排距2.0 m，間距2.0 m，呈梅花形布置。

4 結語

經過試驗對比可知，傳統底流消能方式只能應對設計泄量情況，一旦泄量較大則會導致水面波動和遠驅式水躍，對結構穩定性不利，會給下游河岸造成沖刷破壞；而跌坎型底流消能方式會顯著降低臨底流速，使池內水流擴散明顯，水體流態穩定，消能效果更好，很好保護了尾坎和下游護坦，且不會增加消力池長度，節約了建筑成本。