張祖航，董薔薇

（1.北海河海水利水電設(shè)計院有限責(zé)任公司，廣西北海 536000；2.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530007）

1 工程概況

馱英水庫為大II型水庫工程。工程由攔河壩、溢洪道、泄洪隧洞、灌溉發(fā)電進(jìn)水口及下游護(hù)岸等建筑物組成，其中溢洪道工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000 年一遇；下游消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

溢洪道布置在推薦壩址右岸山坡上，沿岸坡開挖、局部回填而成，全長約420.1 m，由進(jìn)水渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎組成。溢洪道中心線方位角為SW 72°17'8″，與壩軸線的夾角為60.74°，出口與下游河道夾角約16°。

（1）進(jìn)水渠段。進(jìn)水渠段全長約159 m，由進(jìn)口喇叭段和漸變段組成，分別長119 m及40 m，漸變段底板面高程為213 m，控制堰前沿凈寬39 m。進(jìn)口喇叭段兩側(cè)邊坡由1∶0.75 漸變至1∶0，采用衡重式混凝土擋土墻護(hù)坡。全渠段兩側(cè)岸坡坡比為1∶

0.5～1∶1.25。

（2）控制段?？刂贫我缌餮卟捎冒哆呴l控開敞式無坎寬頂堰型式，上游側(cè)與進(jìn)水渠相接，下游采用y=0.01x2的拋物線與泄槽陡坡段相銜接，溢流堰堰頂高程為213 m，溢流堰堰頂布置3扇11 m×14 m（寬×高）弧形工作閘門擋水，3孔溢流堰共用1扇平板檢修閘門，閘頂布置有檢修門的門式起重機、工作門的液壓啟閉機房和交通橋?？刂贫伍l室壩軸線方向總寬度46 m，順?biāo)飨蜷L28.5 m，閘室底板厚3.5 m，邊墩厚3.5 m，中墩厚3 m。壩頂高程為234.5 m。

（3）泄槽段。泄槽段水平總長206.7 m，展開總長209.92 m，采用矩形斷面，凈寬39 m，設(shè)計底坡i=0.18，底板厚1.0 m，泄槽底部設(shè)Φ200縱向排水盲管及Φ150橫向排水盲管。

（4）挑流鼻坎。挑流鼻坎段中心線長25.9 m，起始端采用半徑為37 m的反弧挑流段與泄槽相接，鼻坎挑射角為θ＝30°，鼻坎頂高程為181.362 m；左側(cè)邊墻采用重力式，右側(cè)邊墻采用衡重式，起始段和末端的頂高程分別為184.500 m 和189.162 m，中間采用1∶4.7坡度連接。

溢洪道縱剖面詳見圖1。

圖1 溢洪道縱剖面圖

2 溢流堰泄流能力計算

2.1 理論計算

采用《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL253-2018）（A.2.3）寬頂堰泄流計算公式進(jìn)行溢洪道溢流堰泄流計算。溢洪道溢流堰前設(shè)長約159 m的進(jìn)水渠段與庫水位連接，進(jìn)水渠由進(jìn)口喇叭段和漸變段組成，分別119 m及40 m，漸變段底板面高程為213 m，控制堰前沿凈寬39 m。因此，溢洪道泄流能力計算采用的堰前水位為大壩壩前水位減去進(jìn)水渠水位降。通過計算，未考慮進(jìn)水渠水位降的泄流曲線見表1，考慮進(jìn)水渠水位降的泄流曲線見表2。對比可知，下泄相同流量時，兩條泄流曲線的水位相差0.417～0.557 m。

表1 未考慮進(jìn)水渠水位降的泄流曲線

表2 考慮進(jìn)水渠水位降的泄流曲線

2.2 模型實驗

通過1∶50溢洪道單體模型試驗，量測分析了溢洪道泄流能力、流態(tài)、進(jìn)水渠流速、壓力、水面線等水力學(xué)參數(shù)，通過模型實驗的驗證，進(jìn)水渠會有水位降，大概0.5 m左右，實驗數(shù)據(jù)更接近表2的計算成果。

2.3 實施工程措施

泄流曲線采用的數(shù)據(jù)為表2 的成果，確定校核洪水位、設(shè)計洪水位、正常蓄水位進(jìn)行溢洪道的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 泄槽段設(shè)計要點

3.1 理論計算

按照規(guī)范水力學(xué)計算公式發(fā)現(xiàn)，泄槽段的水流流速超過25 m/s，水流空化數(shù)較低，需要在泄槽內(nèi)設(shè)置泄槽內(nèi)宜設(shè)置摻氣設(shè)施，以減免泄槽過流底面的空蝕破壞。

泄槽段的水流流速超過25 m/s，泄槽段的沖刷較嚴(yán)重，泄槽表層混凝土需要進(jìn)行抗沖設(shè)計。

3.2 模型實驗

通過1∶50溢洪道單體模型試驗，由于泄槽中下段水流流速較大，超過30 m/s，水流空化數(shù)低于0.30，依據(jù)有關(guān)規(guī)定，泄槽內(nèi)宜設(shè)置摻氣設(shè)施，以減免泄槽過流底面的空蝕破壞。根據(jù)試驗得到的壓力特性與水流空化數(shù)等，擬定在溢洪道泄槽下游樁號0+176.17 m處設(shè)置摻氣坎。共進(jìn)行了3個方案的比選研究。

3.2.1 方案1

摻氣坎方案1 體型尺寸見圖2。摻氣坎挑坎長度為3.93 m，坎面坡度為1∶8，挑坎高度0.49 m，跌坎高度為1.11 m，坡面為平坡；通氣孔設(shè)置在泄槽兩側(cè)，其斷面為圓形，管半徑0.9 m。

圖2 摻氣坎方案1體型尺寸

摻氣坎上部水舌底緣摻氣，并呈拋物線形態(tài)入射至摻氣坎下游底板，水舌入射方向與溢洪道底板呈一定夾角，入射點上下游水流流向相反，部分摻氣水流流向下游，另一部分水流摻氣回溯至上游摻氣坎內(nèi)，摻氣坎內(nèi)積水較深，空腔穩(wěn)定性與通透性較差。

各運行工況下，隨流量的增大，水舌底緣水平長度減小，坎內(nèi)積水增加，空腔體積減小。校核工況時，水舌底緣水平長度為7～8 m，坎內(nèi)積水深度0.5～0.9 m，跌坎內(nèi)積水水面與水舌底緣頻繁搭接。

3.2.2 方案2

方案2 在方案1 基礎(chǔ)上，挑坎高度由0.49 m 增大為0.98 m，摻氣坎挑坎長度由3.93 m 延長為7.85 m。摻氣坎體型尺寸見圖3。

圖3 方案2摻氣坎體型尺寸

相比方案1，方案2 在大流量時摻氣坎內(nèi)流態(tài)有所改善。校核工況時，水舌底緣水平長度增大為13～14 m，空腔體積有所增大，摻氣坎內(nèi)積水深度較大，為0.8～1.3 m，空腔體積相對有所增大，坎內(nèi)積水水面與水舌底緣時而搭接，空腔通透度性與穩(wěn)定性仍較差。

3.2.3 方案3

方案3 在方案2 基礎(chǔ)上，摻氣坎挑坎坡比由方案2 的1∶8 增大為1∶5，挑坎長度由方案2 的7.85 m增大為8.16 m，挑坎高度由0.98 m 增大為1.63 m。方案3摻氣坎體型尺寸見圖4。

圖4 方案3摻氣坎體型尺寸

方案3 在大流量條件下?lián)綒饪蔡幮纬闪送ㄍ傅?、具有一定長度的穩(wěn)定空腔，空腔下游水流摻氣充分。方案3 摻氣坎體型作為推薦摻氣坎體型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行典型工況試驗研究。

3.3 工程實施措施

（1）在溢0+176.170增加了摻氣坎，尺寸詳見方案3。泄槽底板采用1 m厚C40HF抗沖耐磨混凝土。

（2）HF抗沖耐磨混凝土，此混凝土屬于新型材料，在混凝土中增加適量的HF外加劑，提高了混凝土的原有性能，能很多好的解決溢洪道泄槽段高流速抗沖耐磨防空蝕等問題。

4 挑流鼻坎段設(shè)計要點

（1）理論計算。按50 年一遇水位進(jìn)行消能防沖計算，溢洪道出口為挑流消能，根據(jù)理論計算，坎面流速超過32 m/s，屬于高速水頭，需考慮建筑物表層的抗沖耐磨。水舌拋距110 m。

（2）模型實驗。當(dāng)弧門開度為0.5 m、1.0 m 時，下泄流量較小，出挑流鼻坎水流未起挑而跌至下游河道，需要進(jìn)行坎下護(hù)坦設(shè)計，防止坎底被掏空；當(dāng)弧門開度較大時，水流以拋物線形態(tài)挑射至下游河道，水舌挑距為70 m～110 m，當(dāng)下泄流量增大時，水舌沖刷到右岸山體，不利于邊坡穩(wěn)定，需要增加處理措施。

（3）實施工程措施。挑流鼻坎坎下設(shè)4 m厚的C25（3）混凝土護(hù)坦，防止坎底被未起挑跌落的水舌破壞，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全以及邊坡的穩(wěn)定安全。挑流鼻坎末端右側(cè)增加了4 m 長10%的貼角，用于改變水舌的方向，避免沖刷右岸山體，以利于邊坡穩(wěn)定。挑流鼻坎的面層設(shè)1 m 厚C40（2）HF 抗沖耐磨混凝土，解決挑流鼻坎段高流速抗沖耐磨防空蝕等問題。

5 結(jié)語

大型水庫泄洪建筑物的結(jié)構(gòu)安全涉及整個水庫安全問題，不同的工程根據(jù)條件的限制，都有其需要重點考慮的技術(shù)問題，馱英水庫溢洪道工程通過理論計算及水工模型的試驗，既能驗證理論計算及設(shè)計的正確性，又能彌補理論計算考慮不到的許多涉及安全的設(shè)計，從而確保整個工程的安全。總結(jié)如下：

（1）進(jìn)水渠較長的溢洪道在進(jìn)行溢流堰泄流能力計算，堰前水位不能直接采用壩前水位進(jìn)行設(shè)計，需考慮進(jìn)水渠的水位降。

（2）泄槽流速超過30 m/s，水流空化數(shù)低于0.30，依據(jù)有關(guān)規(guī)定，泄槽內(nèi)宜設(shè)置摻氣設(shè)施，以減免過流底面的空蝕破壞，并利用模型試驗優(yōu)化了摻氣坎布置及尺寸。

（3）采用新型材料C40（2）HF 抗沖耐磨混凝土，能很多好的解決溢洪道泄槽段高流速抗沖耐磨防空蝕等問題。

（4）挑流鼻坎末端右側(cè)增加了4 m長10%的貼角，用于改變水舌的方向，避免沖刷右岸山體，以利于邊坡穩(wěn)定。