唐占君

(哈密托實(shí)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆 哈密，839000)

1 工程概況

二道白楊溝水庫(kù)是以工業(yè)供水為主的攔河式小型山區(qū)年調(diào)節(jié)水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容430萬(wàn)m3。水庫(kù)樞紐由攔河壩、溢洪道和導(dǎo)流、放水隧洞組成，樞紐布置可充分利用左岸天然沖溝有利地形，將泄水建筑物溢洪道布置在左岸。將導(dǎo)流、放水隧洞布置于左岸巖體較為完整的山體內(nèi)。

壩體采用碾壓式瀝青混凝土心墻壩，最大壩高為82.6m，壩長(zhǎng)為198m。壩頂高程1995.6m，防浪墻頂高程1996.8m。前壩坡1∶2.25，后壩坡1∶1.8。壩頂寬度為10m，壩頂上游設(shè)2.2m高防浪墻，壩頂高程1995.6m，防浪墻頂高于壩頂1.2m，壩頂設(shè)20cm厚混凝土路面，壩頂自防浪墻位置向下游設(shè)坡，坡度取2%。上游壩坡采用25cm厚的現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，現(xiàn)澆混凝土板分塊尺寸為(3m×3m)，混凝土標(biāo)號(hào)為C25F300W6。壩后共設(shè)2道“之”字形上壩路，路寬取8m，縱坡為8%，路基為20cm厚砂礫石。

導(dǎo)流、放水隧洞為施工期導(dǎo)流、正常運(yùn)行時(shí)放水。隧洞由進(jìn)口段、塔井段、有壓隧洞段、豎井段、無(wú)壓隧洞段和出口消能段組成。放水、導(dǎo)流隧洞全長(zhǎng)545m，洞身段長(zhǎng)381m，設(shè)計(jì)底坡1：50，斷面形式采用城門(mén)洞形。導(dǎo)流、放水隧洞為無(wú)壓隧洞，施工導(dǎo)流時(shí)最大泄量為17.01m3/s。

左壩肩布置岸邊正槽溢洪道，溢流堰采用寬頂堰形式，泄槽底板采用臺(tái)階式。溢洪道起調(diào)水位為水庫(kù)的正常蓄水位，堰頂高程同起調(diào)水位。

圖1 溢洪道控制段及漸變段上游剖面

2 溢洪道布設(shè)方案

泄水建筑物溢洪道由進(jìn)口段、控制段、漸變段、泄槽段、消能段和尾水渠段組成，溢洪道尾水渠末端接入放水隧洞尾水渠，總長(zhǎng)271.50m，校核洪水下泄流量Qmax=164.47m3/s，設(shè)計(jì)洪水下泄流量Qmax=54.10m3/s。

2.1 進(jìn)口段

樁號(hào)Y0+000～Y0+021.85段為進(jìn)口段，長(zhǎng)21.85m，溢洪道進(jìn)口段為巖石開(kāi)挖平臺(tái)，將洪水平順地導(dǎo)向溢流堰，溢流堰前底板高程為1991.7，寬度為22m，坡度為i=0，右側(cè)巖石開(kāi)挖斷面直墻高5m，2m平臺(tái)后放坡，邊坡系數(shù)1:0.5，斷面不做襯砌，開(kāi)挖斷面直墻段及以上巖石開(kāi)挖邊坡布設(shè)φ18的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級(jí)鋼筋，間距為2.0m×2.0m，錨桿長(zhǎng)度2m，錨入巖石2m，采用梅花形布置，同時(shí)采用C20混凝土噴護(hù)，噴護(hù)厚度δ=100mm。

2.2 控制段

樁號(hào)Y0+021.85～Y0+031.85為控制段，采用寬頂堰，堰寬22m，堰長(zhǎng)10m，堰頂高程為1992.71m，寬頂堰底板厚0.5m，底坡i=0，左側(cè)邊墻靠山體，斷面開(kāi)挖直墻同邊墻高為5.11m，2m平臺(tái)后放坡，邊坡為1∶0.5。右側(cè)邊墻與壩體相接，邊墻高5.11m，邊墻頂高程同防浪墻頂高程為1996.82。底板及邊墻采用0.5m厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板及邊墻布設(shè)φ22的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級(jí)鋼筋，間距1.5m×1.5m，錨桿長(zhǎng)3m，錨入巖石3m，采用梅花形布置，錨桿伸入鋼筋混凝土，并與底層鋼筋網(wǎng)焊接。邊墻以上巖石開(kāi)挖邊坡布設(shè)φ18的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級(jí)鋼筋，間距為2.0m×2.0m，錨桿長(zhǎng)2m，錨入巖石2m，采用梅花形布置，同時(shí)采用C20混凝土噴護(hù)，噴護(hù)厚度δ=100mm。

2.3 漸變段

樁號(hào)Y0+031.85～Y0+093.85段為漸變段，漸變段起端與寬頂堰連接，底板高程為1992.71m，末段與泄槽段首端連接，底板高程為1968.71m。

漸變段底寬由22m漸變至6m，總長(zhǎng)62m，擴(kuò)散角θ=7.35°，坡度為i=1∶2.6，斷面形式為矩形，斷面開(kāi)挖直墻同邊墻高為5.2m，2m平臺(tái)后放坡，邊坡為1∶0.5。漸變段樁號(hào)Y0+031.85～Y0+070.00段右側(cè)底板及邊墻外采C20素混凝土襯砌，強(qiáng)風(fēng)化層開(kāi)挖成臺(tái)階式，混凝土襯砌外邊坡為1∶0.5。漸變段底板采用h×L=1m×2.6m的C25鋼筋混凝土臺(tái)階，h、L分別為臺(tái)階步高和步長(zhǎng)，邊墻采用0.5m厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。底板及邊墻布設(shè)φ22的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級(jí)鋼筋，間距為1.5m×1.5m，錨桿長(zhǎng)3m，錨入巖石3m，采用梅花形布置，錨桿伸入鋼筋混凝土，并與底層鋼筋網(wǎng)焊接。邊墻以上巖石開(kāi)挖邊坡布設(shè)φ18的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級(jí)鋼筋，間距為2.0m×2.0m，錨桿長(zhǎng)2m，錨入巖石2m，采用梅花形布置，同時(shí)采用C20混凝土噴護(hù)，噴護(hù)厚度δ=100mm。

2.4 泄槽段

樁號(hào)Y0+093.85～Y0+211.25段為泄槽段，采用臺(tái)階消能式泄槽，坡度為i=1∶2.6，斷面形式為矩形，斷面開(kāi)挖直墻同邊墻高為5.2m，2m平臺(tái)后放坡，邊坡為1∶0.5。泄槽段底板采用h×L=1m×2.6m的C25鋼筋混凝土臺(tái)階，h、L分別為臺(tái)階步高和步長(zhǎng)。邊墻采用0.5m厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。底板及邊墻布設(shè)φ22的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級(jí)鋼筋，間距1.5m×1.5m，錨桿長(zhǎng)3m，錨入巖石3m，采用梅花形布置，錨桿伸入鋼筋混凝土，并與底層鋼筋網(wǎng)焊接。邊墻以上巖石開(kāi)挖邊坡布設(shè)φ18的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級(jí)鋼筋，間距為2.0m×2.0m，錨桿長(zhǎng)2m，錨入巖石2m，采用梅花形布置，同時(shí)采用C20混凝土噴護(hù)，噴護(hù)厚度δ=100mm。

2.5 消能段

樁號(hào)Y0+211.25～Y0+254.25為出口消能段，出口消能采用底流消能方式，消力池全長(zhǎng)43m，其中斜長(zhǎng)段長(zhǎng)8m，池身段長(zhǎng)35m，池深2m。消力池?cái)嗝嫘问綖榫匦?，斷面開(kāi)挖直墻同邊墻高為8.50m，2m平臺(tái)后放坡，邊坡為1∶0.5。底板及邊墻采用0.5m厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板及邊墻布設(shè)φ22的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級(jí)鋼筋，間距為1.5m×1.5m，錨桿長(zhǎng)3m，錨入巖石3m，采用梅花形布置，錨桿伸入鋼筋混凝土，并與底層鋼筋網(wǎng)焊接。邊墻以上巖石開(kāi)挖邊坡布設(shè)φ18的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級(jí)鋼筋，間距為2.0m×2.0m，錨桿長(zhǎng)2m，錨入巖石2m，采用梅花形布置，同時(shí)采用C20混凝土噴護(hù)，噴護(hù)厚度δ=100mm。

2.6 尾水渠段

樁號(hào)Y0+254.25～Y0+271.50為尾水渠段，采用斷面形式為矩形，坡度為i=1∶2.6，尾水渠末端接入放水涵洞尾水渠，接入點(diǎn)底高程為1921.18m。尾水渠底板及邊墻采用0.5m厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3 消能形式選擇

根據(jù)壩址處地形、地質(zhì)條件及泄水建筑物的布置，溢洪道末端消能設(shè)施采用底流消能形式，消能設(shè)施距大壩后壩坡較近，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2018)，消能建筑物的局部破壞危機(jī)到大壩即擋水建筑物安全時(shí)，采用與大壩及擋水建筑物相同的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核，消能設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1000年，流量為164.47m3/s。工程采用底流消能，為等寬矩形斷面消力池，消力池寬6m。對(duì)溢洪道不同消能方式，在同等水力條件下進(jìn)行比較選擇。

3.1 泄槽臺(tái)階消能、末端消力池綜合方案

溢洪道泄槽底寬為6m，底坡i=2.6；臺(tái)階溢洪道底板采用h×L=1m×2.6m的C25鋼筋混凝土臺(tái)階，h、L分別為臺(tái)階步高和步長(zhǎng)，邊墻為0.5m厚的C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

經(jīng)計(jì)算，臺(tái)階溢洪道泄槽段出現(xiàn)均勻摻氣水流的摻氣水深為2.49m，均勻摻氣水流流速為11.02m/s。臺(tái)階泄槽段末端設(shè)置消力池，消力池池深d=2.0m，消力池池長(zhǎng)L=35.0m。消力池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號(hào)為C25F300W6。

3.2 末端消力池消能

溢洪道泄槽底寬為6m，底坡i=2.6，溢洪道泄槽段采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚0.5m，邊墻厚0.5m。計(jì)算泄槽摻氣水深為1.31m，流速為26.54m/s。泄槽段末端設(shè)置消力池消能，消力池池深d=6.17m，消力池池長(zhǎng)L=75.0m。消力池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號(hào)為C25F300W6。

表1 泄槽段不同消能方式特征

從消能形式上比較，溢洪道消能方式采用臺(tái)階消能，在千年一遇的的流量下，泄槽段消減87.3%的能量。溢洪道尾部水流流速小，很大程度上減輕對(duì)下游沖刷破壞，優(yōu)勢(shì)明顯。溢洪道末端需設(shè)的消力池尺寸較合理的布置，而平滑鋼筋混凝土斷面末端流速較大，需設(shè)消力池尺寸較大，根據(jù)現(xiàn)有的地形，無(wú)法合理的布置，綜合考慮，選擇左岸正槽溢洪道泄槽臺(tái)階消能、末端消力池消能綜合方案。

4 臺(tái)階溢洪道泄槽段設(shè)計(jì)

4.1 泄槽首端臨界水深及臨界底坡計(jì)算

計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算，泄槽首端臨界水深dc=4.38m，臨界底坡ik=0.005。

4.2 臺(tái)階泄槽段水流流態(tài)判別

依據(jù)昌桑計(jì)算公式：

跌流水舌流態(tài)：(dc/h)特=0.0916(h/L)-1.276

分離流流態(tài)：(dc)始/h=1.057-0.46(h/L)

式中：h、L分別為臺(tái)階步高和步長(zhǎng)，h=1m，L=2.6m。

當(dāng)dc/h<(dc/h)特時(shí)，為完全發(fā)展的水躍型跌流水舌流態(tài)。

當(dāng)dc/h>(dc)始/h時(shí)，出現(xiàn)分離流流態(tài)。

計(jì)算得：(dc/h)特=0.310，(dc)始/h=1.039，則由dc/h=4.384>(dc)始/h可知，水流為分離流流態(tài)。

當(dāng)水流為分離流流態(tài)時(shí)，水流通過(guò)臺(tái)階面為一種穩(wěn)定流，水流漂越臺(tái)階，并被陷落在臺(tái)階上的旋轉(zhuǎn)水體所襯墊。

4.3 表面摻氣計(jì)算

從泄槽首端算起至長(zhǎng)度L1處開(kāi)始出現(xiàn)表面摻氣，計(jì)算公式為：

L1=K*×9.719(sinα)0.0796F*0.713

v=q/d1

糙度K*=hcosα

式中：d1——該斷面水深，m；

v——該斷面平均流速，m/s；

q——泄槽單寬流量，m3/s。

計(jì)算泄槽表面摻氣狀況如下：

表2 泄槽表面摻氣計(jì)算

從堰頂算起至長(zhǎng)度60.90m處開(kāi)始出現(xiàn)表面摻氣，該斷面水深d1=2.04m，平均流速v=13.44m/s。

4.4 出現(xiàn)均勻摻氣水流的距離計(jì)算

出現(xiàn)均勻摻氣水流的距離L2的計(jì)算公式為：

均勻流摻氣水深d0為：

表3 泄槽出現(xiàn)均勻摻氣水流的距離計(jì)算

計(jì)算得出現(xiàn)均勻摻氣水流的距離L2=121.64m，均勻摻氣水流的水深d0=2.49m，相應(yīng)平均流速v0=11.02m/s。實(shí)際泄洪通道長(zhǎng)L=211m，由此可知泄洪通道出現(xiàn)均勻摻氣水流，泄槽水流為均勻摻氣水流。

4.5 泄槽邊墻高度

由以上計(jì)算可知，泄槽段出現(xiàn)均勻摻氣水流，則泄槽段邊墻高度可按均勻摻氣水深加安全超高計(jì)算，由計(jì)算所得均勻摻氣水流的水深d0=2.49m，平均流速v=11.02m/s。

則泄洪通道邊墻高度：H=d0+△=2.49+1.0=3.49，則泄槽設(shè)計(jì)邊墻高為3.5m。

4.6 消能率計(jì)算

=87.3%

計(jì)算得總能頭為68.36m的臺(tái)階式溢洪道消能率為87.30%，還有12.7%剩余能量，需設(shè)計(jì)消力池消能。

5 結(jié)語(yǔ)

“U”型河谷布設(shè)攔河式砂礫石大壩樞紐工程，其中泄水建筑物采用臺(tái)階式溢洪道形式是可行的，在保證安全泄洪的情況下，經(jīng)臺(tái)階式溢洪道泄槽段消能，有效減緩水流流速，消能率可達(dá)到87%以上，保障大壩樞紐工程的安全運(yùn)行。