三峡水库开县调节坝工程泄水闸下游消能工设计优化

2011-05-01陈朝旭陈振华高大水叶俊荣

水利水电快报 2011年3期

陈朝旭陈振华高大水叶俊荣

(长江勘测规划设计研究院，湖北武汉 430010)

三峡水库开县消落区生态环境综合治理调节坝工程位于重庆开县的三峡库区内，主要任务是减少三峡库尾消落区的面积，降低消落区的水位变幅，改善开县新城区及其周边的生态环境，为建立新的稳定生态系统和良好的人居环境创造条件。调节坝工程坝址控制流域面积3198.6 km2，主体工程为闸坝，闸坝从左至右分别为:非溢流坝、溢流坝、泄水闸、土石坝，拦河闸坝轴线总长507 m。泄水闸最大过闸流量为8438 m3/s，共10孔，单孔净宽10m，闸室总宽度153 m。闸孔为宽顶堰型，消能防冲按(P=3.33%)5730m3/s设计。泄水闸基础为厚度36 m的砂卵石河床。

由于调节坝工程坝址控制流域面积大，要求调节坝工程泄水闸具有较强的泄流能力，加上工程投资受到一定限制，泄水闸布置必须采取较大的单宽泄流量，最大达84 m3/s。我国目前在砂卵石河床上已建的最大单宽泄流量泄水闸工程为王甫洲水利枢纽工程，23孔泄水闸，最大下泄流量为20800m3/s，单宽最大流量为63 m3/s［1］;其次是西霞院反调节水库工程，21孔泄水闸，最大下泄流量为13763 m3/s，单宽最大流量为 60m3/s［2］。而本调节坝工程10孔泄水闸最大单宽流量达84 m3/s，且泄水闸运行情况复杂，使得泄水闸下游消能防冲设计具有较大难度。

为了保证调节坝工程泄水闸的安全和下游消能工的可靠性，工程设计中多种消能措施并用，并通过循序渐进优化设计和模型试验论证，使得调节坝工程泄水闸消能防冲达到良好效果。

1 初步水力学计算及模型试验分析

1.1 水力学计算分析及初步方案拟定

根据开县调节坝泄水闸总体布置及《水闸设计规范》(SL265－2001)，对泄水闸消能防冲进行计算分析，计算简图见图1，消力池深度计算采用底流消能，跃后水深近似平面不扩散考虑，计算方法见公式(1)～(4)。

式中d为消力池深度，m;σ0为水跃淹没系数，可采用1.05 ～1.10;h″c为跃后水深，m;hc为收缩水深，m;α为水流动能校正系数，可采用1.0～1.05;q为过闸单宽流量，m2/s;b1为消力池首端宽度，m，取100m;b2为消力池末端宽度，m，取145 m;T0为由消力池底板顶面算起的总势能，m;Δz为出池落差，m;h＇s为出池河床水深，m，下游水深考虑下游水位上升滞后情况，采用前一开度泄量对应下游水深;φ为流速系数。

图1 消力池水力学计算简图

计算成果显示:在水闸控泄小开度情况下，需要消力池池深2.62 m，池长51.47 m，海漫长65.72 m;在30a一遇洪水设计工况下，需要消力池池深1.60m，池长56.5 m，海漫长81.57 m。

根据国内外经验，消力池的形式有:挖深式消力池、消力坎式消力池、综合式消力池。根据开县调节坝泄水闸总体布置及计算分析，初步拟定采用综合式消力池方案，消力池池长60m，池深2.5 m，尾坎坡比1∶2，高0.50m，后接 80m 长水平海漫和27.5 m长的防冲槽。

1.2 模型试验分析

调节坝泄水闸上下游水位条件变化情况十分复杂:一是泄水闸下游水位随三峡库水位变化而变化;二是泄水闸泄洪初期上下游水位落差较大。消力池深度和长度需要和上下游不同水位相匹配。为了更好论证泄水闸消能设施和下游消能防冲情况，对泄水闸进行1∶100整体水力学模型试验［3］。模型根据重力相似准则，采用级配砂模拟级配砂卵石，采用白麻石模拟防冲槽内抛块石，模型动床模拟了海漫下游200m范围内河床。根据模型试验得出如下结论:

(1) 佛汝德数小于4.5，消力池消能效果差［4］。

(2)收缩水深较小，消力池底板抗浮措施工程量较大，且闸墩部位水流扩散不理想。

(3)消力池尾坎后水流衔接有跌水现象，出池尾坎处水流流速较高，在30a一遇设计情况下最高达7.2 m/s，且海漫上形成波状水跃，对下游海漫防冲要求较高，工程量较大［5］。

(4)海漫末端水流流速达4.8/s，并且冲坑较深，不满足下游河床抗冲要求。

2 消能措施优化与调整

为了进一步提高调节坝泄水闸下游消能防冲效果，根据消能防冲计算和初步拟定方案的模型试验成果及对国内外类似工程资料的研究，决定在不影响泄水闸泄洪能力的条件下，采取多种措施对泄水闸消能工进行优化。

(1)在消力池前端增加一排趾墩［6］，以增大收缩水深，减少消力池底板抗浮措施工程量，同时趾墩在闸墩部位呈喇叭状，以使该处水流尽快扩散。根据文献［6］，趾墩尺寸确定为:顺水流向长8 m，墩宽度由2 m 渐变为3.5 m，顶高程为156.5 m，以1∶6.44坡和上游连接，布置间隔为4 m。模型试验结果显示:增加趾墩以后，消力池消能效果有所提高，各种水位条件下水跃均发生在消力池内，最远水跃尾部在0+55.6 m处，但坎后水流跌落现象仍然存在，水流出池流速减小为6.3 m/s，海漫上仍有波状水跃，海漫末端水流流速减小为4.4 m/s，消能效果有所改善，但仍不满足下游河床抗冲要求。

(2)为了解决消力池坎后水流跌落和海漫上波状水跃问题，经研究，在上述措施基础上，将消力池尾坎调整为差动式。根据文献［6］，差动式尾坎采用形式为:尾坎垂直坎高3.5 m，和原1∶2尾坎每隔2.5 m交错布置，高坎顶顺水流向2 m宽，再以1∶3坡和下游连接。模型试验结果显示:改为差动式尾坎后，在各种水位条件下，水跃均发生在消力池内，水流出池流速减小为5.1 m/s，消力池尾坎后水流二次跌落基本消失，海漫上没有了波状水跃。但海漫末端水流流速还是偏大，对下游存在冲刷。

(3)经过研究和分析，为了减小海漫末端水流流速，须加强水流出池后扩散。为此提出了一项优化措施，即将海漫后60m改为1∶10向下游斜坡式，增加水流垂直扩散。其模型试验成果显示:海漫末端流速减小为3.9 m/s，说明改为斜坡式有利于水流扩散。但是海漫两侧水流流速增大，两侧水流有向中间挤压的趋势。

(4)为调整海漫两侧水流和进一步减小海漫末端流速，把海漫后60m1∶10的斜坡调整为1∶20的斜坡，以进一步加大扩散范围;同时在海漫上增加加糙墩，增强海漫段的消能作用。加糙墩为八角形，高0.3 m，宽0.8 m，间距1.2 m。采用梅花形布置，共布置18排。优化调整后泄水闸消力池和海漫结构图及模型试验测试的流速分布分别见图2和图3。调整后的模型试验结果显示:海漫两侧水流连接较好，并且海漫末端底部流速减小为3.3 m/s，消能效果良好，下游河床不会发生冲刷破坏。

3 消能工结构设计

3.1 消力池

消力池采用综合式消力池，池深2.5 m，池长60m。上游设置趾墩，趾墩长8 m，宽由2 m渐变为3.5 m，顶高程为156.5 m，以1∶6.44坡和上游连接，布置间隔为4m。消力池尾坎采用差动式，高程157.5 m和156.5 m交错布置，高坎顶顺水流向2 m宽，再以1∶3坡和下游连接。消力池上游底板厚度为6.7 m，以满足收缩水深部位抗浮要求，消力池下游底板厚度为2.5 m。消力池底板主要采用C25混凝土，由于泄水闸具有冲砂要求，消力池表面、趾墩及差动式尾坎均采用C35HF抗冲磨混凝土，表面按20cm间距设Φ20mm钢筋网防裂。消力池底板混凝土分块尺寸15 m×15 m，块间采用键槽缝，缝宽2 cm，用闭孔泡沫塑板隔缝，上部设铜止水，且块与块之间用Φ32 mm铰链筋将整个底板连成整体。

图2 泄水闸消力池布置

图3 泄水闸模型试验测试的流速分布

3.2 海漫

海漫前20m水平布置，后60m为1∶20向下游倾斜的坡。曾研究过采用具有较好防冲性能的格宾网石笼连接成的柔性海漫，但因为多泥沙河流，泥沙对格宾网的防腐层有磨损作用，因此予以放弃。经研究采用分块混凝土加铰链筋连接的半柔性海漫，前20m海漫混凝土厚1.0m，后60m海漫厚0.8 m，均采用C25混凝土。混凝土分块尺寸为5 m×5 m，缝宽1 cm，沥青杉木板隔缝，且块与块之间用Φ32 mm铰链筋将整个海漫连成整体。同时在海漫上增加加糙墩，增强海漫段的消能作用。加糙墩为八角形，高0.3 m，宽0.8 m，间距1.2 m，采用梅花形布置，共布置18排。