青山水库工程溢洪道消能建筑物优化设计

(辽宁省水利事务服务中心，辽宁 沈阳 110003)

1 工程概况

辽宁省葫芦岛市青山水库工程坝址位于葫芦岛市绥中县西台村，坝址以上控制面积1650km2，占全流域的54%。工程由青山水库枢纽工程及输水工程组成。青山水库枢纽位于六股河干流中游，是《六股河流域规划》中确定的六股河干流上控制性骨干工程。

青山水库总库容6.61亿m3，为大(2)型水库，Ⅱ等工程。水库设计洪水标准为500年一遇，校核洪水标准为5000年一遇。工程的主要任务是以城市供水、防洪为主，兼顾改善流域下游农业供水条件以及生态环境等综合利用。青山水库解决葫芦岛市城市工业与生活用水不足问题，同时提高六股河中下游地区的防洪标准，改善六股河流域下游枯水期及葫芦岛市的生态环境。

青山水库死水位68m，正常蓄水位85.7m，防洪限制水位85.7m，兴利库容3.06亿m3，2020年设计水平年青山水库多年平均供水量为8580.9万m3，其中，向葫芦岛市调水6179.2万m3，供流域内工农业需水194.5万m3，补偿水库坝下环境水量2207.2万m3。水库建成后，可将下游绥中县城的防洪标准提高到50年一遇，使水库下游两岸防洪标准达到20年一遇。

青山水库工程主要建筑物有主坝、副坝、溢洪道和输水洞。根据地形地质条件，主坝布置在主河道，坝型为黏土心墙砂砾石坝，坝顶高程为96.29m，坝顶长735.63m，最大坝高42.79m，坝顶宽度为7.00m；5孔溢洪道布置在距主坝右岸约350m处的山垭口上，溢流总净宽57.50m，堰体采用驼峰堰型式，堰顶高程76.0m，堰高3m；在岭后分水岭处布置副坝，副坝坝型为粉质黏土均质坝，副坝坝顶高程为97.25m，坝长125.22m，最大坝高12.35m，坝顶宽为5.0m；输水洞布置在主坝左岸的条形山脊内，长度为313.66m，成洞洞径为2.8m，取水流量为3.76m3/s。

青山水库向葫芦岛市输水工程线路总长71.022km，输水工程设计规模为17.1万m3/d，工程最大输水能力为20.86万m3/d。

青山水库建设总工期为44个月，工程静态总投资为27.65亿元，其中枢纽工程投资3.95亿元，输水工程投资4.71亿元，移民占地、环境及水保投资18.99亿元。贷款利息0.61亿元，工程总投资28.26亿元。

2 设计变更原因

辽宁省水利工程建设技术审核中心对《葫芦岛市青山水库工程初步设计报告》进行审查时，溢洪道水工模型试验尚在进行中，审核中心在《葫芦岛市青山水库工程初步设计报告审查意见》中要求“下阶段应结合水工模型试验优化溢洪道消能建筑物及防护工程设计”。大连理工大学为青山水库溢洪道消能工共进行了28个方案的模型试验，其中初设报告中的消能方案在发生校核洪水时，在出口50m范围内，河床冲后的高程大部分在37.4m以下，冲刷比较严重，需增加泄槽长度并在泄槽中增加辅助消能工。

因模型试验与初步设计报告中的消能工结构型式不一致，所以溢洪道消能工型式需按试验成果进行修改。

3 模型试验结论

a.当闸门全开时，在校核洪水位下，弧形闸门的门铰刚好淹没。

b.当闸门开度分别为1m、3m和5m时，在部分库水位下，弧形闸门前有不太稳定的漩涡产生，呈时有时无状态，对泄水建筑物的危害不大。总体来说，闸门局部开启时的泄流流态良好。

c.溢洪道宽为67.5m时，在设计洪水位91.8m和校核洪水位95.4m下实测的泄流量分别为6162.88m3/s和8382.35m3/s，比设计流量6128m3/s大34.88m3/s(0.569%)，比校核流量8073m3/s大309.55m3/s(3.832%)。

d.实测压强显示，闸门全开时，在各库水位下，溢洪道底板沿程压强分布比较合理，没有负压产生。在T型墩表面和侧面的部分测点出现了负压(负压最大值2.893m H2O)，但负压的绝对值不大，满足规范要求。

e.在各库水位下，溢洪道加辅助消能工后，其过流能力没有改变。

4 消能建筑物优化设计

4.1 初步设计报告中溢洪道消能设计

青山水库溢洪道工程由进口引渠、堰体控制段、陡槽及出口明渠段和出口防护工程五部分组成。堰体采用a型驼峰堰[见《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)图表A.1.5]，堰顶高程76.0m，堰高3.0m，堰长31.0m，堰前后底板高程均为73.0m，底板厚为3.0m。溢洪道控制段桩号YU0+012.000～YD0+019.000，控制段总长31m。桩号YD0+019.000～YD0+079.000m为60m长的泄槽段，起点底高程73.0m，末端底高程为71.0m，边坡为1∶1，底坡为1/30，底宽为67.50m。泄槽座落在强风化岩石上，槽底为钢筋混凝土护砌，厚2m，末端设齿墙，嵌入弱风化岩石下4m，以防淘刷。两侧为混凝土护坡，厚度0.5m。

4.2 消能建筑物优化设计

大连理工大学为青山水库溢洪道消能工共进行了28个方案的模型试验，消能工型式包括在消力池中设不同高度、不同间距的消力坎、分流墩、T型墩，并对不同溢流总净宽进行了模型试验。根据水工模型试验报告，综合考虑消能效果与投资，最终选择了第27方案。

该方案为将初设报告中的泄槽长度由60.0m增加至72.0m，泄槽段底坡由1/30放缓为1/36，泄槽起点和末端底高程仍为73.0m和71.0m。泄槽中增加两排T型墩，T型墩长9.00m，翼板宽6.00m、厚3.00m，腹板厚3.00m、长6.00m，第一排T型墩共5个，起始桩号为YD0+040.000，顶高程为78.64m，第二排T型墩共6个，起始桩号为YD0+080.800，顶高程为77.51m，两排T型墩交错布置。在泄槽下游增加18m长的跌坎，跌坎深度为6m，顶高程65.0m。跌坎末端齿墙深入微风化岩2.0m，底高程51.0m，底宽2.0m，上游边坡1∶0.5，下游为直立坡，齿墙垂直水流方向两侧各深入基岩15m，齿墙底宽为97.5m，左右边坡为1∶1，在65.0m高程处，齿墙宽度为125.50m。溢洪道过流时，以向下游冲刷为主，向两侧及反向淘刷的作用相对较弱。根据模型试验成果，各频率下冲坑上游坡比最缓为1∶2.25，下游坡比最缓为1∶4.22，在50年一遇洪水位下，该方案溢洪道出口前冲坑的最低高程为44.78m，距溢洪道出口距离为41.6m，冲坑上游坡比为1∶2.0，下游坡比为1∶4.72，左坡比为1∶3.14，右坡比为1∶7.48，溢洪道出口前河床冲后的高程在54.98m左右。冲刷高程均高于跌坎末端齿墙底高程51.0m，溢洪道是安全的。校核洪水时，冲坑距溢洪道出口距离为190.80m，跌坎末端齿墙底高程为51.0m，根据模型试验及工程类比，弱风化岩冲刷坡比约为1∶3，齿坎处冲刷高程均高于51.0m，所以在校核洪水时，溢洪道是安全的。溢洪道布置见图1。

图1 溢洪道平面图(单位：m)

5 结 语

在各库水位下，溢洪道加辅助消能工后，其过流能力没有改变。在校核洪水时，冲坑距溢洪道出口距离为190.80m，溢洪道控制段是安全的。