中桥水库泄水建筑物泄洪消能设计

申洪波，张文胜

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州遵义 563002)

1 工程概况

中桥水库工程位于贵州省遵义市中心城区东北面，地处湘江左岸支流仁江下游新田湾河段内，坝址距仁江河口13.6km，距遵义市城区中心21.0km。工程是以城市供水和农田灌溉为主，兼顾集镇及农村人畜饮水的中型水利枢纽工程。

坝址处河谷呈基本对称的“V”形斜向河谷结构，河谷宽高比为2.9～3.1。河床高程768.50～765.50m，河床宽约25～35m。坝址区左岸除穹窿状山体基岩裸露外，其余多为第四系覆盖层覆盖，河床内多覆盖第四系冲洪积砂卵砾石。坝址区左、右岸岩层不对称，岩层整体倾下游偏左岸，产状 N10°～25°E/SE∠25°～45°，河床附近岩层产状受构造影响较零乱。溢洪道出露基岩主要为奥陶系中统十字铺组上段灰色中至厚层含泥质灰质粉砂岩;在中后段多覆盖厚度3～6m的残坡积黏土夹碎石，岩体强风化深度为7～9m，强度较低;出口段基础出露地层岩性为粉砂岩，抗风化及抗冲刷力较低，抗冲刷系数为1.4～1.6。

水库坝址以上流域面积598.2km2，多年平均径流量31980万m3，2000年一遇洪峰为3380m3/s，100年一遇洪峰为1830m3/s，30年一遇洪峰为1260m3/s。

工程枢杻建筑物布置方案为:混凝土面板堆石坝+左岸开敞式设闸溢洪道+右岸放空兼冲沙隧洞+左岸放水隧洞。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高56.5m，坝顶长146.0m，坝顶宽6.5m，大坝上游坝坡1∶1.4、下游坝坡1∶1.3。水库总库容7380万 m3，工程等别为Ⅲ等，水库规模为中型。大坝设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为2000年一遇，消能防冲标准为30年一遇(见图1)。

图1 中桥水库枢纽布置

2 泄洪方案选择

大坝为混凝土面板堆石坝，根据坝址地形地质条件，左岸下游的缓坡台地布置对布置溢洪道有利，故泄水建筑物布置于左岸。结合该工程实际情况，由于中桥水库库区淹没较大，需设闸门控制水库水位以减小淹没，泄洪方案确定为岸边开敞式设闸溢洪道。经分析比较，考虑洪水全部通过的泄洪方案，结合大坝下游消能防冲影响，选择了3孔9m×10m(b×h)、3孔8m×11m(b×h)及3孔7m×9m(b×h)表孔闸门共三组方案进行了比较。三组闸门泄洪方案调洪计算成果见表1。

表1 闸门比较调洪成果

经调洪计算，3组闸门均满足泄洪要求，且三组闸门泄洪方案的结构布置相差不大，都能满足结构设计和水力设计要求。三组闸门泄洪方案投资比较见下页表2。经综合比较，选择3孔8m×11m表孔为该工程泄洪方案。

表2 闸门方案投资比较

3 溢洪道结构设计

结合坝址左岸地形地质条件，溢洪道紧邻大坝左坝段布置，包括引水渠、溢流段、泄槽段、消力池段及出水渠段，总长297.0m。

引水渠长64m，渠底高程为798.00m，底坡 i=0.0，宽55.0～29.0m。溢流堰为WES实用堰，溢流面曲线方程为Y=0.0637X1.85，曲线段后接反弧与泄槽段相接，反弧半径 25.0m，反弧角度 31.9°，堰顶高程801.00m，溢流堰净宽24m，设3扇8m×11m(b×h)弧形工作钢闸门。溢流堰上闸墩中墩宽2.5m，头部为半圆形，闸墩长20.80m。为避免闸墩尾部水流交汇形成水翅，在水流表面形成冲击波，需在中墩末端设置圆弧曲线型式的分流墩。分流墩宽2.5m，高8(上游)～12.39m(下游)，其顶部和下部沿闸墩方向的长度分别为4.84m和9.92m，顶部圆弧半径10m，底部圆弧半径40m。

泄槽段分三段，底坡 i=20%，首端长 6m，宽29.0m，收缩段长44m，收缩角度为4.55°，收缩段后槽宽22m;泄槽末端20.5m处底坡i=39%，边墙通过扭面由直墙变为1∶0.2的梯形断面与消力池衔接。在泄槽尾部与消力池连接部位设了三个长9.7m，宽3m、末端高3.8m的分流趾。消力池长66.0m，为梯形断面，底宽22m，两侧墙坡度为1∶0.2，底板高程为767.00m，池深3.0m。经水力计算并结合水力学模型试验结果，在消力池首端20m处设了三个消力墩，消力墩宽3m，上游面直立高度为5m，顶部水平，沿顺水流方向长1m，下游侧坡比1∶1，沿顺水流方向长6m。在消力池出口处设尾坎，尾坎高2m，顶宽2m，上游面铅直，下游侧坡比为1∶1。尾坎后接出水渠，出水渠长53m，渠底首端宽22.0m，底板高程768.00m。消力池平面布置见图2，纵剖面见图3。

图2 消力池平面布置

4 水力学计算及模型试验成果

4.1 泄流能力

表孔堰顶高程801.00m，堰型为WES实用堰，单孔溢流宽度8.0m，泄流公式采用:

泄流能力计算成果和水力学试验成果见表3。

表3 溢洪道泄流能力理论计算及水力学试验成果

从表3可知，在相同水位的情况下，水力学模型试验成果的下泄流量值均大于理论计算值，溢洪道泄洪能力满足相应标准时洪水的下泄要求。

4.2 设计体型模型试验

各工况下库区水流平稳，溢洪道进口水流流态平顺，左侧的边坡较好地调整了进入控制段的水流，右侧导墙上游端扰流轻微。溢洪道中墩下游增设分流墩后水流流态平顺，水翅现象小，下泄水流冲击波弱。消力池内形成淹没水跃，出消力池水流和下游河道衔接较好。各工况下堰面压强分布正常，堰面的最小压强为0.3×9.8kPa，反弧段的最大压强为12.14×9.8kPa，消力池内底板最大压强为27.08×9.8kPa。下游河道的水位随着溢洪道下泄流量的增大而升高，在溢洪道出口区域，水流流速相对较大。下游河道水流流速最大为5.89m/s，出池单位水体携带的余能小，消力池消能效果好，对下游两岸坡影响较小，不会危及大坝安全。

5 结语

西南地区河流多属山区型河流，峡谷地貌，在骨干水源建设中，泄洪建筑物在整个工程投资比重中占有很大比例，如何选择经济合理、技术可行的泄洪建筑物设计，对于加快骨干水源工程的建设有着积极意义。该工程泄洪建筑物在闸墩尾部设置分流墩，消除了闸墩尾部水流交汇形成的水翅。通过在泄槽末端入池部位增设分流趾、消力池内设置消力墩，达到了在消力池内形成稳定水跃。出池水流和下游水位的良好衔接，解决下游消能防冲问题，确保了工程的安全，提高了工程的效益。

水力学与山区河流开发保护国家重点实验室(四川大学).贵州省遵义市中桥水库溢洪道及放空洞水工模型试验研究报告［R］.