贵州省格八水库拱坝溢流堰改造设计研究

2019-11-15

人民长江 2019年10期

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002)

20世纪70～80年代，我国修建了较多的中小型拱坝。现在因为规范的更新，当时的设计洪水标准已经不满足现有规范要求了，所以很多拱坝都存在泄流能力不足的问题。另外，有一段时间设计界都力求把拱坝做到最薄，尽最大可能减少混凝土方量，这就使得溢流坝段也相当的薄，导致溢流坝面真空度过大，坝面水舌不稳定，引起坝体震动。

目前针对拱坝泄洪能力不足的处理方法主要有加高大坝[1-2]、扩宽溢流堰[3]、降低堰顶高程[4]、另开溢洪道等。浙江省白水漈水库大坝加高了2.2 m，保持原坝顶溢流堰不变，同时在坝体上游面用C20混凝土加厚，加厚范围为坝基以上17 m(坝高37.3 m)，增加厚度0.5～2.5 m，以此抬高水库水位而增大泄流能力，同时保证抬高水位后坝体应力满足规范要求[2]。大岭山水库将原溢流堰宽度由7.6 m扩宽至14.6 m，以满足泄洪能力要求，并设置锚筋将新浇溢流堰体与老坝连接成整体[3]。

因为拱坝坝身比较单薄，一般采用挑流消能，下游设护坦和二道坝防冲刷。陈大松通过多年工作经验，总结了拱坝溢流堰及消能工设计的经验[5]；李忠等针对狭窄河床试验了一种新型组合式消能工，把泄水槽侧面的窄缝收缩改进为曲面贴角鼻坎的形式，使其适应急流在凹岸的流动和导向控制，调整挑射水舌的冲击、交汇的发生点[6]。

贵州省紫云县格八水库泄流能力不足，坝顶溢流堰体型过于窄瘦，使坝水舌不稳定，导致泄洪时坝体振动明显[7]。发电厂房在大坝下游右岸60 m处，泄流涌浪和雾化水汽容易影响发电厂房的正常运行。针对该工程改造难度较大的问题，难寻先例。经多方比选，最终采用了尖瘦的WES曲线实用堰、负挑角的挑流消能、河床护坦+消力墩等创新性处理措施，完美解决了工程存在的问题，并经受住了2014，2017年2次大洪水的考验。

1 工程概况

格八水库位于贵州省紫云县猫营河上，1974年建成，大坝为浆砌块石单曲拱坝，最大坝高33 m。坝顶中部为溢流表孔。原溢流堰顶高程1 152.13 m，溢流段长40 m，溢流堰前沿净宽30 m，分6孔，每孔宽5 m，设5.0 m×3.8 m(宽×高)的平面钢闸门。溢流堰面顶部曲线为圆弧，半径2 m，圆心角为80°，圆弧后接1∶0.3陡坡，形成滑雪道泄槽。溢流表孔设计洪水标准为30 a一遇，校核洪水标准为300 a一遇，相应下泄流量693 m3/s。根据现行规范[8]，设计洪水标准应为50 a一遇，校核洪水标准应为500 a一遇，相应下泄流量880 m3/s，原溢洪道泄洪能力不足。运行时发现泄量较小时水舌贴着坝面流动，泄量较大时水舌脱离坝面形成跌流，坝体振动明显。改造前的溢流坝剖面见图1。

图1 改造前的溢流堰剖面(单位：m)Fig.1 Sectional drawing of the overflow weir before reformed

根据水工模型试验[9]，发现溢流面下泄水舌与坝面之间有大面积不稳定空腔，造成坝面水流不稳定，呈周期性摆动，这在下泄流量小于校核流量时尤为严重。溢洪道下泄洪水流量在300 ～468 m3/s之间时，坝面水舌时而脱离坝面，时而贴面，坝面水流不稳定。当水库水位上升至1 157.07 m时，溢洪道下泄流量达到693 m3/s(原校核洪水流量)，坝面水舌脱离坝面，形成自由跌落水舌，跌落点距坝轴14.5 m。泄洪水舌与坝面之间的不稳定空腔是导致坝体振动的原因之一，因此需要改造溢流表孔增加泄流能力，并使坝面水舌稳定，消除坝体振动。

2 溢流堰改造分析

溢流表孔泄流能力计算公式：

(1)

式中，M为综合流量系数，受堰型、闸墩形状、定型设计水头等因素的影响；B为溢流堰净宽，m；H0为计入了流速水头的堰上水头，m。

影响M的因素较多，包括闸墩形状、堰头形状、下游水位、上游水深，堰顶水头等，但对于曲线型实用堰，根据规范[10]给定的计算公式分析计算，M处于1.43～2.19之间，而该溢流堰之M=1.985，调整M值而增大泄流能力的潜力已经不大，最大仅能增加9%。

对于该工程，由于是已建成的拱坝，受河床宽度和两岸地形条件的限制，无法增加溢流宽度B值。

根据公式(1)计算，当H0每增加1%，则泄流能力将增加1.5%。增加H0的途径可以有3种：① 加高大坝以壅高水位；② 降低现状堰顶高程；③ 加高大坝的同时降低堰顶高程，从而获得较大的H0值。

经计算，针对设计洪水和校核洪水分别需增加15.7%和38.4%的泄流能力才能满足要求，而只有增加H0才可能实现。根据工程实际条件分析，大坝加高1.2 m，水库校核洪水位由1 156.54 m抬高至1 157.14 m，抬高了0.6 m，同时降低堰顶高程0.88 m，最终使得堰上水头增加了1.48 m，满足了现行规范的泄洪能力要求，同时也使大坝结构调整最小，最有利于坝体安全。

3 堰型选择

溢洪道改造设计的重点是既要满足泄洪能力要求[11-12]，还必须保证堰体结构稳定。拱坝坝顶溢流堰一般采用曲线型实用堰，主要的型式有WES堰、克-奥堰、长研Ⅰ、长研Ⅱ型实用堰等，其中WES堰最为常用，因为它有固定的曲线方程式，施工放样、插值等都较为方便。克-奥堰是前人通过试验研究确定一系列的坐标值制成表格，具体应用时用取定的定型设计水头Hd乘以表格中的坐标值得到具体工程的堰面曲线坐标值。长研Ⅰ和长研Ⅱ型实用堰实际上是WES堰的改进，但在现行设计规范上没有明确列出。针对该工程，在设计过程中利用同样的定型设计水头Hd对WES堰、克-奥堰和长研I型堰进行了对比研究。

WES堰顶上游面曲线采用双圆弧，下游面曲线方程为

(2)

式中，Hd为堰面曲线定型设计水头，m，若上游堰高P≥1.33Hd，取Hd=(0.75～0.95)Hmax，Hmax为校核流量下的堰上水头，m；x，y分别为原点下游堰头曲线横、纵坐标，m；k，n为堰面曲线参数，根据SL253-2010《溢洪道设计规范》附录取值。

对于格八水库，经水工模型试验后取Hd=0.65Hmax=3.828 m，堰体上游面铅直，取k=2.0，n=1.85，经变换得曲线方程为y=0.1597x1.85。

克-奥曲线没有直接的曲线方程[13]，坐标见表将以上3种型式的堰面曲线同时绘于图上(见图2)，可以看出在定型设计水头相等的情况下，长研Ⅰ型体型堰最胖，克-奥堰次之，WES堰体型最瘦。由克-奥曲线坐标表可以看出，x坐标和y坐标取值不具有规律性，且插值困难，施工放样时较为困难。

图3 溢流堰改造剖面(单位：mm)Fig.3 Sectional drawing of the reormed overflow weir

1。

表1 克-奥曲线坐标(Hd=3.828 m)Tab.1 Coordinates of the Ke-Austrian curve with Hd=3.828 m

按自由溢流状态进行水力计算，3种堰型的综合流量系数见表2。由表2可知，WES堰的综合流量系数最小，克奥堰居中，长研Ⅰ型最大。

综上所述，WES堰具有体型和施工放样上的优势，其余两种堰型则具有综合流量系数方面的优势。拱坝的溢流堰坐落于坝体之上，坝体较为单薄，为增加堰体的结构安全度，宜将堰体做得尽量瘦，对于综合流量系数的劣势，可通过稍稍降低堰顶高程来解决，因此在格八水库改造中最终选择了WES实用堰。

4 挑流鼻坎及消能工处理

格八水库大坝下游右岸60 m布置有发电厂房，一般的挑流消能会使挑流水舌形成涌浪，冲击发电厂房。因此，通过多次水工模型试验调整，最终确定为-25°挑角的溢流坝面，既缩短挑距，减弱对厂房的影响，但又不至于缩得太短，以保证坝脚的防冲安全，同时使雾化现象较轻，不影响厂房的运行。模型试验得出的不同挑角所对应的泄流特性见表3，堰体剖面见图3。

图2 Hd相同时不同堰型堰面曲线Fig.2 WES,Ke-Austrian,Changyan-I type curve with the same Hd

堰型设计洪水位时校核洪水位时WES堰1.9861.985长研Ⅰ型堰2.1352.276克奥堰2.1722.243

图4 消力墩和护坦平面布置(单位：mm)Fig.4 Plane layout of stilling pile and apron

序号反弧角/(°)挑角/(°)试验状态描述135-20水舌入水点距坝脚10m,下游涌浪影响到坝脚230-25水舌入水点距坝脚14.0m,下游涌浪离坝脚约4.0m325-30水舌入水点距坝脚18.0m,下游涌浪范围离坝脚较远。但是,由于挑距较远,对厂房的影响加大了

负挑角鼻坎形成俯冲式水舌，经过水工模型试验得知，如果仅设常规的护坦，当发生30 a一遇洪水时，溢流表孔下泄水舌俯冲余浪会翻越厂房的防洪墙，冲击发电厂房，河床冲刷深度为9.5 m；当下泄流量达到校核洪水标准时，冲刷坑最大深度为13.52 m，右岸坡下切最大深度为7.56 m。冲坑虽然不影响大坝稳定，但影响发电厂房和河岸防洪墙的稳定。

试验过程中考虑在河床靠近发电厂房位置设一个消力墩，一方面使俯冲水流消去一部分能量，另一方面起导流转向作用，将俯冲水流引向主河道。消力墩后部还留一个泄水槽，让翻过消力墩的水流沿此空间流向下游，彻底消解泄流水舌的涌浪，避免防洪墙和发电厂房受涌浪冲击。

设置消力墩后，下泄流量Q=214 m3/s(5 a一遇洪水)时下游河床涌浪范围为0+25～0+40，此时涌浪离厂房较远，未对厂房的安全运行造成任何影响。当下泄流量Q=458 m3/s(30 a一遇洪水)时，下游涌浪的范围为0+25～0+50，涌浪大部分沿河床下泄，部分涌浪翻过右岸河道防洪墙，其中一部分向上游回流至坝脚，一部分从厂房后侧流向下游。由于涌浪的影响范围距离厂房约有20 m，也未对厂房造成不利的影响。当下泄流量Q=529 m3/s(50 a一遇洪水)时，下游涌浪的范围为0+25～0+60，离厂房仅有约10 m的距离，部分水流冲击厂房，但厂区平台上的水深很浅，不会冲毁厂房。当下泄流量Q=849 m3/s(500 a一遇洪水)时，厂房已在下游涌浪的范围之内，水流直接冲击厂房，并翻越厂房的房顶，厂房将被全部淹没冲毁。也就是说，经过消力墩的再次消能导流，发电厂房满足30 a一遇防洪标准要求，遭遇50 a一遇洪水时，厂房部分房间进水。

设计时根据水工模型试验的成果将原有河床护坦加长了27 m，总长达到44 m。护坦末段设消力墩，墩高5 m，长18 m，与河流方向呈144°夹角，使水流方向转弯角度不至于过陡。消力墩为梯形断面，顶宽1.6 m，迎水面铅直，背水面为1∶1斜坡，背面泄水槽宽度为3～10 m。消力墩和护坦平面布置见图4，消力墩剖面见图5。

5 溢洪道改造结构设计

根据原溢流坝段的结构尺寸，拆除改造后溢流堰顺水流方向尺寸变化较大，而原坝体较为单薄，为保证改建的溢流堰体结构稳定，需要对溢流堰体增加支撑。经过分析和比较[14-15]，最终在下游面将溢流坝段加厚2 m，同时加厚了两岸非溢流坝段的坝体，使改造后的溢流堰体获得稳固的支撑，悬挑出拱坝身外的悬臂长2.643 m，悬臂部分混凝土面积10.75 m2，重43.75 kN，占堰体面积的14%，对拱坝应力影响可忽略不计[7]。将加厚的坝体混凝土与老坝体结合面凿毛并冲洗干净，设φ20锚筋，每根长2.25 m，间距1.5 m，伸入老坝体1.45 m，确保新老坝体能紧密粘结，并能承受一定的界面拉应力。新建溢流堰与拱坝整体结构关系见图3。悬臂部分的配筋按图3所示的悬臂梁计算，堰上水压力由水工模型试验测量得到，由10 kN/m渐变到41.53 kN/m，悬臂自重按钢筋混凝土重度25 kN计算。经计算得最大弯矩M为232.4 kN·m，剪力Q为176 kN，按构造配筋即可，实际按温度钢筋配置，纵横向均为φ16@200 mm。关于溢流堰的混凝土强度等级问题，因格八水库所在河流泥沙较少，库水清澈，溢流堰流速为5～16 m/s，采用C25钢筋混凝土即可满足要求。