孤山子水库溢洪道设计及水力特性分析

□李 根 □王圣海 □王健骁 □齐 奇

（1辽宁省农村水利建设管理局；2辽宁省江河流域管理局）

1 工程概况

孤山子水库位于辽宁葫芦岛市建昌县魏家岭乡孤山子村，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养鱼等综合利用的水利枢纽工程。孤山子水库溢洪道存在的主要问题有以下几个方面：（1）溢洪道堰顶高程低于规划正常蓄水位；（2）坝肩式溢洪道泄槽岩石风化，无衬护和消能防冲设施；（3）无交通桥；（4）导流堤出现贯通裂缝，左岸导流堤留有过路口，行洪时洪水外溢，危及大坝安全。（5）右岸为强风化花岗岩，无护岸，抗冲能力差。因此，工程拟在原址重新修建溢洪道，新建溢洪道设计要解决抗冲能力低、冲刷破坏严重的问题；合理的消能防冲设计能够保证良好的水流流态，确保水库的安全运行。

2 溢洪道消能设施设计方案比选

2.1 方案设计

2.1.1 方案一挑流消能方案：挑流消能的挑坎布置于桩号0+165处，挑流鼻坎采用钢筋混凝土结构，净宽34.80m，挑坎高程为155.88m。挑坎反弧半径为12.70m，鼻坎挑射角26°，反弧最低点高程154.88m；挑流鼻坎末端设齿墙，齿墙底高程为149.75m；挑射距离23.00m，冲坑底高程147.50m，顺水流方向长2.00m，冲坑上游按坡比1:4对岩石削坡，冲坑下游以1:3.5倒坡与出水渠相接；两侧按1:1.5开挖整治，并用M10浆砌石护坡。

2.1.2 方案二底流消能方案：底流消能按地形应将泄槽向下游延伸75m，消能采用挖深式钢筋混凝土消力池，其中陡坡段长4m，坡比1:4，底板厚0.40m，下设C15混凝土垫层，厚0.10m；消力池底板设PVC排水管和0.50m厚碎石反滤层；消力坎底顶宽0.80m，顶高程150.50m，与出水渠段齐平。

2.2 方案比选

消能设施工程量及经济技术比较详见表1，出于工程任务量以及资金的考虑，决定采用挑流消能型式。

3 溢洪道结构设计与相关参数计算

3.1 主要结构设计

新建溢洪道沿原溢洪道布置，溢洪道主要由进水渠、控制段、泄槽、消能设施及出水渠组成。根据方案比选，溢洪道消能型式采用挑流消能，其他主要结构设计如下：

3.1.1 进水渠

进口布置成对称的喇叭口形式，上游采用钢筋混凝土水平防渗，铺盖长20m，闸上游翼墙均采用钢筋混凝土扶臂式结构。

3.1.2 控制段

控制段为5孔溢洪闸，闸室段采用整体式结构，顺水流方向长15m，垂直水流方向宽37m。交通桥布置在闸室下游侧，设计荷载标准为公路—Ⅱ级；工作桥采用T型梁结构，上设启闭机房；检修便桥采用钢筋混凝土板式结构，布置在闸室上游侧；桥头堡位于溢洪闸右岸，右岸碾压砂壳料筑平台并与山坡相接。

3.1.3 泄槽段

泄槽为钢筋混凝土结构，采用等宽矩形断面，净宽34.80m，长147.50m；岸墙采用全对称布置，采用钢筋混凝土悬臂式结构；泄槽末端采用挑流消能。

3.1.4 出水渠

出水渠总长150m，渠底比降为1:200，净宽31m；两岸按1:1.5坡比进行护砌；在出口处向河道上、下游各护砌40m，采用圆弧曲线与出水渠护坡连接。

表1 溢洪道方案设计比较结果表

3.2 泄槽段水力计算

3.2.1 起始断面位置及其水深

《溢洪道设计规范》中有规定，泄槽上游接闸室底板，起始计算断面定在泄槽首部，水深取用泄槽首端断面计算的临界水深hk。临界水深（hk）和临界边坡（JK）的计算公式如下：

式中：b、q分别为泄槽底宽（m）和单宽流量（m3/s），b=34.80m；θ 为泄槽底坡与水平方向的夹角（°），θ=1.023°；λJ为水力参数；α、g分别为动能修正系数和重力加速度，取α=1.0；g=10m/s2。

3.2.2 水流流态判别

根据计算结果判别各种频率洪水水流流态。

3.3 消能防冲水力计算

洪水经挑流消能后流入下游出水渠，在保证能形成自由挑流的情况下，挑坎高程可略低于下游最高水位，经比较确定挑坎高程为155.88m。挑坎为连续等宽式，根据规定挑流鼻坎反弧半径取值为反弧最低点最大水深的6～12倍。经比较之后，确定挑坎反弧半径和鼻坎挑射角分别为12.70m和24°，反弧最低点高程154.88m，反弧上游与泄槽底板切线连接，挑坎反弧始点桩号0+159.28，终点桩号0+165。挑流水舌外缘挑距与冲坑最大水垫深度计算根据相关规范进行。

4 水力特性分析

4.1 断面流态

图1 两种工况下不同断面水流流态图

分析图1（a）和（b）可知，两种工况条件下，水闸后方的水流横向水面都出现了明显的不稳定现象，出现这一状况的原因是水流在闸墩后发生绕流，使得断面水流出现波动。从图1（c）中可以看出，断面水流受到渐变段束水效果的影响，在渐变段末端出现折冲水流和“菱形波”，呈现中间断面水深高于两岸水深的水流流态。

4.2 底板压强

底板压强是检验工程质量的一项重要指标，它能够反映水工建筑底板及边墙的设计载荷，如某部位底板压强较小或出现负压，则容易产生空化、空蚀破坏。图2为两种工况下模拟与数值计算底板压强对比，分析可知，模拟的沿程压强分布与理论计算的结果大体吻合，并且新建溢洪道在模拟中未出现负压情况。

图2 两种工况下模拟与数值计算底板压强分布对比图5结语

溢洪道是水利工程中一种常见的泄水建筑物，其结构功能受工程地质条件、工程结构以及工程整体布置等条件限制，并且溢洪道结构设计以及工程布置会对泄流的水力特性产生较大的影响。孤山子水库参照相似地区工程实践，通过对比分析，最终确定溢洪道合理的结构和工程布置形态；理论计算与数值模拟结果相吻合，水流流态符合工程要求，进一步验证了工程设计的合理性。

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