陳居乾
(甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)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(qū),呈現(xiàn)“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(fēng)蝕作用,侵蝕切割強(qiáng)烈,水土流失嚴(yán)重,顯著特點(diǎn)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(qū)山地屬構(gòu)造剝蝕低中山區(qū),黃土殘塬與溝(河)谷發(fā)育,溝(河)谷較開闊時(shí)呈不對(duì)稱“U”型,以側(cè)向侵蝕為主,兩岸不對(duì)稱發(fā)育Ⅰ級(jí)階地,階面較平坦;兩岸谷坡較陡時(shí)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(qū)內(nèi)新老黃土廣泛分布,最厚達(dá)200m,結(jié)構(gòu)稍密—中密,不良物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為黃土自重或非自重濕餡性、溯源侵蝕、風(fēng)化、卸荷、滑坡及崩塌。黃土梁峁溝壑區(qū)典型地貌如圖1所示。
圖1 黃土梁峁溝壑區(qū)典型地形地貌
黃土梁峁溝壑區(qū)地形地貌獨(dú)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(jù)特殊的梁峁溝壑地形研究論證,以保證技術(shù)可靠、運(yùn)行安全及經(jīng)濟(jì)合理。本文結(jié)合甘肅省平?jīng)鍪星f浪縣梁河水庫泄洪建筑物工程布置及選型工作實(shí)踐,對(duì)黃土梁峁溝壑區(qū)水庫泄洪建筑物布置及選型進(jìn)行研究。
梁河水庫位于渭河流域六盤山山地構(gòu)造剝蝕低中山區(qū),為典型的黃土梁峁溝壑區(qū),總庫容165.4萬 m3,工程規(guī)模為Ⅳ等小(1)型,主要建筑物級(jí)別為4級(jí),工程系統(tǒng)由大壩、泄洪及取水建筑物構(gòu)成,大壩壩型為均質(zhì)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(dǎo)流洞)。水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì),300年一遇洪水校核,相應(yīng)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(shè)計(jì),相應(yīng)洪峰流量48.2m3/s。
黃土梁峁溝壑區(qū)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(tǒng)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(yùn)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(shí)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(shù)經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(zhì)條件較差,開挖掘進(jìn)及一次支護(hù)施工具復(fù)雜性,施工難度相對(duì)溢洪道未降低,且進(jìn)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(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。
為解決溝(河)岸式溢洪道傳統(tǒng)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(jié)合布置共用泄洪洞技術(shù)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(jù)庫壩區(qū)上下游地形及地質(zhì)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(jié)合構(gòu)成整體岸邊塔式進(jìn)水口,溢流井布置于塔身兩側(cè),由井頂三面開敞自由溢流倒拋物線型實(shí)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(jìn)水口平面布置如圖2所示。
圖2 塔式進(jìn)水口平面布置(單位:mm)
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(shè)計(jì)。依水庫運(yùn)行方式及防洪調(diào)度設(shè)計(jì)原則,遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及其以下洪水時(shí),泄洪排沙閘單獨(dú)泄洪,遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以上、校核標(biāo)準(zhǔn)及超標(biāo)洪水時(shí),泄洪排沙閘與溢流井聯(lián)合泄洪。適當(dāng)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(dān)約三分之二總泄量、溢流井承擔(dān)約三分之一總泄量的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算與調(diào)洪演算,確定泄洪排沙閘孔口與井頂溢流堰尺寸,以及相應(yīng)庫水位。
進(jìn)水塔塔頂單側(cè)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(shè)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(jié)構(gòu)總寬5.5m,孔口尺寸2.5(寬)×2.4m(高),胸墻前后設(shè)置平板檢修閘門及弧型工作閘門,塔頂設(shè)置工作橋與壩頂相接。
塔式進(jìn)水口通過漸變洞段與泄洪洞相接,漸變洞段洞長20.0m,洞內(nèi)布設(shè)長5.0m溢流井導(dǎo)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(zhuǎn)彎洞段;洞出口為總長55.0m的漸變擴(kuò)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(xiàn)澆鋼筋混凝土的復(fù)合式支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)。塔式進(jìn)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(jìn)水口橫剖面(單位:mm)
圖5 溢流井縱剖面(單位:mm)
設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水工況泄洪排沙閘單獨(dú)泄流量60.1m3/s,相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位(正常蓄水位)2183.60m,溢流井堰頂高程2183.65m;校核標(biāo)準(zhǔn)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(lián)合總泄流量136.3m3/s,相應(yīng)校核洪水位2184.40m,調(diào)洪庫容8.1萬m3,死水位2163.00m。大壩壩頂設(shè)置高1.2m防浪墻,墻頂高程2186.40m,壩頂高程2185.20m。
按重力并兼顧阻力相似準(zhǔn)則,滿足水流運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特征等技術(shù)特性相似原則,建立幾何比尺為1∶40的泄洪建筑物完整實(shí)體模型,開展整體水工模型試驗(yàn)研究,重點(diǎn)研究驗(yàn)證塔式進(jìn)水口及泄洪洞結(jié)構(gòu)體型、泄洪能力、率定庫水位—泄流量關(guān)系曲線、率定弧門不同開啟度泄流曲線、水流流態(tài)與流速分布、溢流井井底水墊塘水力狀況與消能效果、動(dòng)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(yōu)化泄洪建筑物結(jié)構(gòu)體型及穩(wěn)定水面波動(dòng)措施。
4.2.1豎井式溢洪道泄洪能力
經(jīng)試驗(yàn)研究驗(yàn)證,泄洪排沙閘關(guān)閉,溢流井單獨(dú)泄洪,設(shè)計(jì)調(diào)洪校核洪水位2184.40m時(shí),泄流量為75.2m3/s(最大泄流量),相應(yīng)堰上水頭0.75m,泄流量Q與庫水位Z關(guān)系曲線如圖6所示。
圖6 溢流井單獨(dú)泄洪Q—Z關(guān)系曲線
4.2.2泄洪排沙閘不同開啟度泄洪能力
經(jīng)試驗(yàn)研究驗(yàn)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(shí),設(shè)計(jì)調(diào)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(guān)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(guān)系曲線
4.2.3聯(lián)合泄洪能力
經(jīng)試驗(yàn)研究驗(yàn)證,校核標(biāo)準(zhǔn)洪水工況下,泄洪排沙閘全開與溢流井同步運(yùn)行,當(dāng)聯(lián)合泄流量達(dá)146.0m3/s時(shí),庫水位為2184.06m,低于設(shè)計(jì)調(diào)洪校核洪水位2184.40m,泄洪建筑物聯(lián)合泄洪能力滿足要求,泄洪規(guī)模設(shè)計(jì)合理,其中庫水位達(dá)溢流井堰頂高程2183.65m時(shí),泄洪排沙閘全開泄流量為131.0m3/s。聯(lián)合泄流量Q與庫水位Z關(guān)系曲線如圖8所示。
圖8 泄洪建筑物聯(lián)合泄洪Q—Z關(guān)系曲線
4.2.4水流流態(tài)及消能效果
經(jīng)試驗(yàn)研究驗(yàn)證,設(shè)計(jì)洪水位(正常蓄水位)工況泄洪排沙閘全開單獨(dú)泄洪,溢流井井身無負(fù)壓與空蝕,水流通過短壓力進(jìn)水口后擴(kuò)散,漸變洞段內(nèi)水流流態(tài)復(fù)雜,波動(dòng)強(qiáng)烈,撞擊閘室墩墻及洞身側(cè)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(lián)合泄洪,井身無負(fù)壓與空蝕,過堰水流跌落至井底躍起,與過閘水流匯集進(jìn)入泄洪洞,進(jìn)水口段水流流態(tài)異常復(fù)雜,井內(nèi)水流流態(tài)紊動(dòng)劇烈,井底水墊塘消能效果差。隨泄流量增大,泄洪洞洞內(nèi)水流呈低壓—明滿流交替狀態(tài),全線流態(tài)不穩(wěn)定。
在先期試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上,為改善水流流態(tài),增強(qiáng)消能效果,重點(diǎn)按校核標(biāo)準(zhǔn)洪水泄洪工況,對(duì)溢流井井底水墊塘及漸變洞段的結(jié)構(gòu)體型與水流流態(tài)進(jìn)一步通過試驗(yàn)研究優(yōu)化[5-17]。
4.3.1溢流井井底水墊塘優(yōu)化
溢流井井底水墊塘深度設(shè)置1.0m增至1.5、2.0、3.0、4.0m多種技術(shù)方案,并優(yōu)化體型為WES型溢流堰[4-12],同時(shí)將漸變洞段下移5.0m,起始于溢流井導(dǎo)流墩末端進(jìn)行試驗(yàn)研究。經(jīng)試驗(yàn)研究驗(yàn)證,并結(jié)合水流流態(tài)及消能效果分析,井底深3.0m的WES型溢流堰水墊塘技術(shù)方案堰高體型較優(yōu),堰面無脫流,堰體對(duì)水流調(diào)節(jié)作用及流線轉(zhuǎn)折適應(yīng)性良好。水流經(jīng)深3.0m水墊塘出流后,消能效果明顯,漸變洞段內(nèi)水流流態(tài)大為改善,且堰體不影響短壓力進(jìn)水口自由出流。試驗(yàn)研究驗(yàn)證表明,溢流井井底設(shè)置足夠深度水墊塘及其溢流堰調(diào)整水流,控制水流紊動(dòng)強(qiáng)烈摻混區(qū)位于水體中下部,減緩水體表面波動(dòng),利于和下游水流順暢銜接是關(guān)鍵。塔式進(jìn)水口平面布置及溢流井井底水墊塘優(yōu)化如圖9—10所示。
圖9 塔式進(jìn)水口優(yōu)化平面布置(單位:mm)
4.3.2洞內(nèi)削波穩(wěn)流措施
根據(jù)類似工程實(shí)踐及水力學(xué)試驗(yàn)研究成功案例,采取漸變洞段設(shè)置削波壓水板措施消除水面波動(dòng)及“水翅”穩(wěn)定水流[17]。依據(jù)削波板不同布設(shè)高度及縱向長度多方案試驗(yàn)研究驗(yàn)證,增設(shè)削波板可有效改善水流流態(tài)。削波板布設(shè)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(shè)于洞身頂拱起拱線部位,起始于進(jìn)水口之后3.0m處,縱向長度27.62m技術(shù)方案為較優(yōu),其中漸變洞段內(nèi)長22.0m,橫寬等同洞寬。漸變洞段削波穩(wěn)流優(yōu)化措施如圖10所示。
圖10 溢流井井底水墊塘及漸變洞段優(yōu)化縱剖面(單位:mm)
按水庫泄洪運(yùn)行方式,在設(shè)計(jì)、校核與消能防沖高標(biāo)準(zhǔn)洪水,以及10年與5年低標(biāo)準(zhǔn)常遇洪水泄洪工況下,對(duì)優(yōu)化后的泄洪建筑物沿程水流流態(tài)及流速分布進(jìn)行了全面試驗(yàn)研究驗(yàn)證[5-17],泄洪工況及其相應(yīng)成果見表1。
表1 泄洪工況及其試驗(yàn)研究優(yōu)化成果
試驗(yàn)研究表明,優(yōu)化技術(shù)方案不同標(biāo)準(zhǔn)洪水泄洪工況,泄洪排沙閘進(jìn)流平順,閘前無偏流、回流及吸氣漩渦等不良流態(tài),水流經(jīng)短壓力進(jìn)水口順暢下泄,不沖擊弧門支鉸。溢流井泄流水體經(jīng)溢流堰跌入井底水墊塘,翻滾強(qiáng)烈,消能充分,過堰水流緊貼堰面無脫流,經(jīng)漸變洞段入下游洞身,對(duì)短壓力進(jìn)水口自由出流無影響。泄洪排沙閘單獨(dú)泄洪時(shí),漸變洞段過閘主流集中于中部,并向兩側(cè)擴(kuò)散,形成斜向沖擊波;溢流井參與聯(lián)合泄洪時(shí),井底過堰水流對(duì)漸變洞段洞身兩側(cè)擴(kuò)散水流所形成的水面波動(dòng)及斜向沖擊波具有良好的壓制減弱作用。
試驗(yàn)研究表明,削波板對(duì)穩(wěn)定水流流態(tài)、減弱水面波動(dòng)、消減轉(zhuǎn)彎洞段水流特征,以及消除“水翅”作用顯著。轉(zhuǎn)彎洞段水面未達(dá)洞頂,外側(cè)高于內(nèi)側(cè),存在水面差,隨泄量降低,彎道水流特征顯著趨緩。受轉(zhuǎn)彎洞段影響,下游直線洞段水面存在一定波動(dòng),但泄流順暢,無不利流態(tài),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(cè)墻頂0.3m,最小凈空2.1m、凈空率70.4%,滿足技術(shù)要求,最大流速超15.0m/s,屬高速水流,需采用高強(qiáng)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(píng)價(jià),不同標(biāo)準(zhǔn)洪水泄洪工況,優(yōu)化技術(shù)方案泄洪建筑物沿程水流流態(tài)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(tài),泄洪順暢,優(yōu)化技術(shù)方案及削波穩(wěn)流措施合理有效。
試驗(yàn)研究表明,泄洪建筑物優(yōu)化技術(shù)方案沿程表面動(dòng)水壓力分布正常,無負(fù)壓空蝕,結(jié)構(gòu)體型合理[5-17]。表面時(shí)均動(dòng)水壓力見表3。
表3 泄洪建筑物沿程表面時(shí)均動(dòng)水壓力
水庫泄洪建筑物豎井式溢洪道與泄洪排沙閘相互結(jié)合,構(gòu)成整體岸邊塔式進(jìn)水口共用泄洪洞技術(shù)方案布置型式,全面解決了黃土梁峁溝壑區(qū)水庫溝(河)岸式溢洪道傳統(tǒng)布置型式存在的主要問題,且建筑及臨建工程投資可節(jié)省15.0%以上,效果良好。工程實(shí)踐及研究成果具一定普遍性,可為黃土梁峁溝壑區(qū)及類似地理特征區(qū)中小型水庫泄洪建筑物工程布置與設(shè)計(jì)提供良好借鑒。整體岸邊塔式進(jìn)水口建筑物規(guī)模較大,對(duì)地基特性要求高,漸變洞段跨度大,開挖掘進(jìn)需增強(qiáng)一次支護(hù)措施,工程布置與設(shè)計(jì)需注重考慮,對(duì)于大型水庫及其高泄洪量建筑物工程應(yīng)用存在一定局限性。