王洪偉,徐 崗

(1.安吉縣水利局,浙江 安吉 333000;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 工程概況

大河口水庫位于安吉縣鄣吳鎮(zhèn)西南部約4 km處,西苕溪支流渾泥港沙河上游。水庫集雨面積19.6 km2,主流長度8.2 km,原設計總庫容1 010萬m3,是一座以灌溉為主,結合防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水利工程。

工程始建于1964年,1965年完工。樞紐工程由攔河壩、溢洪道、輸水洞及電站等建筑物組成。水庫運行45 a來,經歷了多次洪水的考驗,發(fā)揮了較大的經濟和社會效益,但同時也存在不少問題,影響水庫安全運行。根據《浙江省安吉縣大河口水庫大壩安全鑒定報告》,大河口水庫大壩定為“三類壩”,必須進行加固處理。

該除險加固工程調洪計算結果為100 a一遇設計洪水位127.09m,相應下泄流量220 m3/s;2 000 a一遇校核洪水位127.99 m,相應下泄流量380 m3/s。

溢洪道加固設計采用底流消能,2級消力池方案溢洪道總長174.89 m。具體如下:

溢流堰長50 m(扣除橋墩后凈寬47 m)、寬3.5 m的寬頂堰,上游坡度為1∶2。溢流堰后接3級泄槽,3級泄槽均為梯形斷面。泄槽末端接新建的2級消力池。第1級消力池長25m,池深2.0 m,池寬20 m,池底高程為102.30 m;第2級消力池池長20 m,池深1.0 m,池寬20 m,池底高程103.30 m。結合現(xiàn)場地形特征,消力池左岸邊墻采用直立式混凝土擋墻,右岸采用1∶1斜坡混凝土擋墻。工程平面布置見圖1,溢洪道剖面布置見圖2。

溢洪道后的泄洪渠按20 a一遇標準設計,起點樁號0+000.00m處渠底高程為104.0 m,以樁號0+100.00 m和樁號0+300.00 m為分界,3段渠道的設計底坡分別為2.0,1.0,0.5%,至渠道末端樁號0+476.68 m處,渠底高程為99.17m。

圖1 工程平面布置圖

2 溢洪道光滑陡槽消能

原溢洪道為開敞式寬頂堰,后接二級光滑陡槽,陡槽末端采用斜挑鼻坎消能。多年運行下來,都是在小流量情況下運行,雖然沒有造成什么破壞,但是在大流量運行時將嚴重影響左側公路的安全,進而影響溢洪道的行洪安全。為此此次除險加固設計將消能方式改為底流消能。通過水工模型試驗表明:

校核工況 (P=0.05%):由于第1級泄槽兩側邊墻在平面上的非對稱布置,且橫斷面凈寬由樁號0+011.58 m處的50 m逐漸收縮到樁號0+071.69 m處的26 m,加之主庫區(qū)位于溢洪道的右前方,過堰水流入泄槽后在第1段泄槽內左側邊墻處形成壅水,橫斷面上泄槽左側水深明顯大于右側,至第2級泄槽收縮斷面處水深橫斷面分布逐漸均勻,水流至第3級泄槽樁號0+121.69 m處直接挑入消力池內,并在一級消力池左岸沿程形成翻滾激烈的涌浪,消力池左側涌浪翻滾至114.3 m高程,流態(tài)見圖2。

圖2 P=0.05%流態(tài)圖(光滑陡槽消能)

設計工況(P=1%):第1級泄槽內流態(tài)基本類似于校核工況,水流沿程逐漸偏向右岸,至收縮斷面樁號0+086.69m處,主流主要集中于泄槽中央,泄槽內橫斷面上水深分布不均。在第3級泄槽起始斷面樁號0+121.69 m處,水流直接挑入消力池內,挑流水舌位于樁號0+132.50 m,消力池左側涌浪翻滾至112.3 m高程。

消能工況(P=3.33%):泄槽內流態(tài)基本類似于設計工況,水流在第3段泄槽的起始斷面樁號0+121.69 m處集中于泄槽中央,入池挑流水舌位于樁號0+132.24 m處,泄槽對岸消力池內涌浪翻滾至111.0m高程,二級池內涌浪跌落位置位于樁號0+161.89 m處。

P=20%工況:槽內流態(tài)基本類似于消能工況,入池水舌位于樁號0+128.89 m處,泄槽對岸消力池內涌浪最高至108.9m高程,流態(tài)見圖3。

圖3 P=20%流態(tài)圖(光滑陡槽消能)

試驗還觀測了5 a以下小流量洪水的流態(tài)情況,即便是泄流量只有10 m3/s的情況下,也直接挑入消力池內,不能形成底流消能。

因此,該方案顯然不能夠滿足設計要求,需要進行優(yōu)化。

3 階梯式消能工布置[1-3]

根據光滑陡槽水流流態(tài)情況,對第2級泄槽設置非常規(guī)的非連續(xù)外凸式階梯,第2級泄槽坡降由原來1∶1改為1∶2,并設置內凹式臺階進行坡面消能 (見圖4)。結果表明:

校核工況 (P=0.05%):橫斷面水深在第1級泄槽末分布趨于均勻,第2級泄槽內階梯坡面消能作用不大。水流沿著第3級坡泄槽進入消力池內,在第3級泄槽階梯式斜坡上發(fā)生水躍,泄槽對岸涌浪翻滾至112.5m高程。水流翻滾并折向消力池右岸,流態(tài)見圖5。

圖4 泄槽剖面布置圖

圖5 P=0.05%流態(tài)圖 (階梯式消能)

設計工況(P=1%):第1、2級泄槽流態(tài)基本同校核工況。水流進入第3級泄槽,在階梯坡面上產生摻氣漩滾,并在階梯式斜坡上產生水躍。實測樁號0+108.83 m處橫斷面平均流速12.99 m/s,躍首處橫斷面平均流速14.22 m/s。泄槽對岸涌浪翻滾至109.8 m高程,經消力墩消能后,浪高、翻滾激烈程度大為改善。一級池內左岸處,實測底部最大頂沖流速4.00 m/s,在一級消力池末主流集中于左側,寬度約18m。在一級池右岸的邊坡上存在小范圍的回流區(qū)。二級消力池內形成水躍。

消能工況(P=3.33%):第1級泄槽內,橫斷面水深分布略有不均,左側水深略高于泄槽右側;水流進入第2級階梯泄槽后,階梯坡面消能作用明顯;水流進入第3級泄槽后在階梯臺階上發(fā)生摻氣漩滾,在池內發(fā)生水躍,消力墩處水流翻滾激烈。涌浪也主要集中于池中的消力墩處,一級池左岸邊墻處,實測最大底部頂沖流速約2.36m/s,無明顯翻滾涌浪存在。受消力池轉彎影響,在一級池右岸邊坡處形成小范圍回流,最大流速3.76m/s。二級消力池內形成水躍。

P=20%工況:泄槽內流態(tài)基本類似于消能工況,一級池內躍首位于樁號0+124.69 m處,經消力墩后消能充分,左岸無涌浪存在,池內水流平順,流態(tài)見圖6。

圖6 P=20%流態(tài)圖(階梯式消能)

總之,流態(tài)明顯改善。校核、設計工況下,涌浪范圍、高度、激烈程度均有所減小,尤其是消能工況,一級池左岸轉彎邊墻處無明顯涌浪存在。在P=20%工況下,水流經坡面臺階及消力墩消能充分,一級消力池內水流平順。

4 結 語

通過大河口水庫泄洪道消能工優(yōu)化布置研究表明,利用階梯式消能工新型消能技術,可以有效減輕下游消能防沖壓力,降低溢洪道消力池導墻的安全隱患;同時也解決了除險加固工程中普遍存在的改建建筑物布置受現(xiàn)有客觀條件制約的矛盾。成果對類似的改擴建和新建工程具有廣泛的推廣應用價值。

[1]陸芳春,徐崗,施林祥,等.階梯式消能工在石壁水庫工程中的應用研究 [J].浙江水利科技,2006(1):32-33.

[2]陸芳春,包中進,徐崗.階梯式溢流面水力特性規(guī)律研究[J].浙江水利科技,2008(2):34-38.

[3]黃智敏,朱紅華.緩坡度陡槽溢洪道階梯消能研究與應用[J].中國水利水電科學研究院學報,2005(3):179-182.