泽雅水库增设泄水隧洞工程出口消能设计

王超逸

（温州市泽雅水库管理站，浙江 温州 325000）

1 工程概况

泽雅水库位于温州市瓯海区泽雅镇林岙村，是一座以供水、防洪为主，兼顾灌溉等综合效益的中型水库。现状泽雅水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、引水隧洞等组成。泽雅水库枢纽工程平面布置见图1。水库大坝为钢筋混凝土面板堆石坝[1]，坝顶高程113.77 m，坝顶长度308.00 m，最大坝高78.80 m。溢洪道位于大坝右岸，距右坝肩90.00 m，净宽36.00 m，为设闸门控制的开敞式正槽河岸溢洪道，控制段堰顶高程101.97 m，控制段分为3孔，单孔净宽12.00 m，堰顶设3扇弧形闸门控制过流，设计洪水最大下泄流量1 850 m3/s，校核洪水最大下泄2 631 m3/s。

图1 泽雅水库枢纽工程平面布置图

水库因未设放空设施，水库泄洪的唯一方式就是通过溢洪道泄洪，调度手段单一，无法有效、及时地放低水位，无法满足面板检修、清淤的水位需求，给水库的应急处置、大坝的安全检修等运行管理带来不便。泽雅水库增设泄水隧洞工程有利于水库放空维护，保障区域饮用水安全，防汛调度等综合利用功能。

泽雅水库新增放空设施工程由原施工导流洞改建，改建后泄水隧洞由进水口、竖井式检修闸门井、放空隧洞、出口工作闸门段、消能段组成。进洞口位于左坝肩上游约210.00 m处，底高程53.00 m；出洞口位于左坝肩下游约115.00 m处，底高程43.50 m。泄水隧洞总长405.50 m，其中隧洞段长度为378.50 m。

隧洞汛期水头高，流速快，流量大，出口处河床地质条件差，河道狭窄且在溢洪道挑流消能冲坑下游，出口消能防冲设施布置受到很大限制[2]。隧洞出口消能防冲问题关系到导流隧洞安全稳定运行和下游岸坡的稳定，设计方案必须技术上可靠，经济上合理。

2 设计方案

2.1 挑流消能（方案1）

弧门闸室段紧靠泄洪洞出口布置，闸室长12.00 m，桩号原导0 + 378.00 ～ 0 + 390.00 m，底高程43.50 m。闸门采用露顶式弧形钢闸门，闸门尺寸为3.20 m×3.20 m。闸室后接挑流消能，挑流消能段顺水流方向长度15.00 m，桩号原导0 + 390.00 ～ 0 + 405.00 m，采用矩形断面，底宽由3.20 m渐变至6.00 m。堰面反弧半径R = 30.00 m，挑射角为20°，鼻坎高程为45.31 m。底板采用厚1 000 mm的C30HF抗冲磨面层+厚2 000 mm的C25钢筋混凝土，边墙采用C30F50混凝土结构。泄水隧洞出口挑流消能纵剖面见图2。

图2 泄水隧洞出口挑流消能纵剖面图

2.2 底流消能（方案2）

弧门出口消能段紧靠泄洪洞出口布置，闸室长15.00 m，底高程43.50 m。底板、顶坎及弧门支撑梁采用C30混凝土。闸门采用露顶式弧形钢闸门，闸门尺寸为3.20 m×3.20 m，支铰采用圆柱铰，支铰中心高程46.50 m。闸墩厚2.00 m，为C30F50混凝土，出口消能段底板采用厚1 000 mm的C30HF抗冲磨面层+厚2 000 mm的C25钢筋混凝土。闸室后接消力池底流消能。桩号0 + 393.00 m处设置掺气槽，桩号原导0 + 393.00 ～ 0 + 413.39 m为渥齐曲线段，曲线方程为y = 0.006 130 5 x2，后接1:4.0斜坡段。扩散段底板采用厚800 mm 的C30HF抗冲磨面层+厚1 500 mm 的C25钢筋混凝土。桩号原导0 + 425.195 ～ 0 + 475.195 m为消力池水平段，矩形断面，长50.00 m，池深6.00 m，宽10.00 m。底板高程38.00 m，消力池边墙考虑超高，边墙顶高程为53.00 m，消力池内布置3排消力墩作为辅助消能工。消力池段底板采用厚800 mm的C30HF抗冲磨面层+厚1 500 mm的C25钢筋混凝土，边墙采用C30F50混凝土结构。泄水隧洞出口底流消能纵剖面见图3。

图3 泄水隧洞出口底流消能纵剖面图

3 水工模型设计与制作

3.1 模型设计

（1）模型设计依据重力相似准则，即弗汝德数相似准则[3]，按几何相似正态模型设计。

（2）根据试验任务要求，试验模型几何比尺Lr =25.00。相应其它比尺见表1。

表1 模型比尺表

3.2 模型制作

（1）试验模型为泄水隧洞出口消能建筑物结构及其下游部分河道的模拟长度。泄水隧洞出口消能结构模型采用厚10 mm的有机玻璃材料制作，便于观察和拍摄水流流态。

（2）模型中采用长×宽×高= 6.80 m×3.00 m×3.00 m的钢筋混凝土贮水池模拟泄水隧洞的出口水位，试验设置贮水池贮水，采用循环供水系统。供水系统由贮水池、水泵、供水管道及平水箱等构成。贮水池内的水由水泵抽出，经输水管道注入平水箱，平水箱给模型供水，试验尾水经回水管道流入贮水池。

在贮水池对应43.50 m高程处连接泄水隧洞的出口消能段。在贮水池内做一道花墙，消除贮水池进水管进水时水流的波动。利用测针和贮水池进水管道电磁流量计控制贮水池水位[4-5]。

（3）河床模拟根据河床地勘资料，确定模型河床粒径级配及层深。

（4）河道水位采用栅栏控制。

4 水工模型试验

4.1 试验工况

（1）水库水位H = 101.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =256.14 m3/s，下游河道水位42.50 m；

（2）水库水位H = 97.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =246.74 m3/s，下游河道水位42.20 m；

（3）水库水位H = 59.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =128.34 m3/s，下游河道水位42.20 m；

4.2 挑流消能试验

泄水隧洞挑流消能试验成果与设计值比较见表2。

表2 泄水隧洞挑流消能试验成果与设计值比较表

泄水隧洞在实际运用中，主要用于水位低于101.97 m时水库泄流，冲坑形成的主要工况应是以101.97 m以下水库泄流过程为主。经过不同下泄流量的长时间（模型防水试验30 h以上）冲刷，最终形成冲坑深9.43 m，冲坑最深点距挑流鼻坎水平距离约42.50 m，冲坑最深处坑面宽约20.00 m。水库水位H = 101.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =256.14 m3/s时挑流消能成果见图4。

图4 挑流消能成果图

4.3 底流消能试验

（1）在水库水位101.97 m，泄水隧洞下泄流量为256.14 m3/s时，消力池的跃前水深hc =2.68 m，跃后水深h^′′=10.68 m。设计消力池深度为6.00 m，消力池深度不够，水跃溢出池外，达不到消能效果，将会对下游河床产生冲刷。

（2）在水库水位97.97 m，泄水隧洞下泄流量为246.74 m3/s时，消力池的跃前水深hc =2.58 m，跃后水深h^′′ = 10.29 m。消力深度为6.00 m，消力池深度不够，水跃溢出池外，达不到消能效果，将会对下游河床产生冲刷。

（3）在水库水位59.97 m，泄水隧洞下泄流量为128.34 m3/s时，消力池的跃前水深hc =1.34 m，跃后水深h^′′ = 5.35 m。消力深度为6.00 m，消力池深度满足要求。

4.4 方案比较

通过挑流消能模型试验观测，挑流消能冲坑最深处距挑流建筑物的距离为42.50 m，冲坑深为9.43 m，其值为冲坑深的4.4倍，根据工程实践经验，安全距离宜为坑深的3 ～ 6倍，故冲坑不致危及挑流鼻坎的安全。通过观测模型试验，泄水隧洞挑流消能形成的冲坑最远端离河岸最近距离约14.00 m左右，位于溢洪道形成的冲坑下游约50.00 m，两者互不干扰。挑流消能对河岸的冲刷影响较小，工程运行初期可以不对河岸进行衬护，可视今后发展情况而定。

原挑流消能方案的消能段侧墙为扩散结构，扩散角θ =6°1′42″。过坎顶后侧墙顺流向采用直墙结构，相当于在扩散侧墙基础上，向内收缩角θ = 6°1′42″。挑流消能水工模型试验还显示若边墙扩散角在鼻坎末端不作收缩，仅出口挑流水舌形状有变化，冲坑边缘最远端离河岸最近距离约15.20 m左右，位于溢洪道形成的冲坑下游约48.00 m，两者互不干扰。抛射水舌在平面上的扩散自由发展，进一步减小入射水股的单宽流量，使得冲坑形状从上游向下游的扩散性更发展，降低入射水股对河床的冲刷。

受地形、地质条件的影响，泄水隧洞出口消能若采用底流消能，消能建筑物轴线与下游河道水流方向形成较大夹角，消力池结构几乎全部建于河床上，拦断河道，河床上消力池边墙高出河床4.00 m，既影响溢洪道洪水下泄，消力池的消能效果也不够好。

5 结 语

通过泄水隧洞出口消能段水工模型试验的观测与数据分析，否定底流消能方案而推荐采用挑流消能的设计方案。泄水隧洞工程完工3 a来运行情况良好，合理的出口消能设计使泄水隧洞在几次汛期开闸泄水后未发现堰面气蚀现象，下游河床也未发现有严重的冲刷，为泄水隧洞运行的安全性与可靠性提供保障。