东谷水库溢洪道水毁后加固修复型式研究及优化设计*

2020-12-02胡国平周清勇

中国水能及电气化 2020年10期

胡国平刘智周清勇

(江西省水利科学研究院，江西南昌 330029)

1 概述

1.1 工程概况

东谷水库坝址控制流域面积345km2，正常蓄水位(设计洪水位)为148.00m，总库容1.214亿m3(其中防洪库容530万m3)。设计灌溉农田38.2万亩，电站设计装机2×8MW(多年平均发电量4331万kW·h)，是一座以灌溉、发电为主，兼顾防洪及其他综合利用的大(2)型水利工程。

工程于2008年5月开工建设，2009年7月基本建成并蓄水运行。枢纽工程主要由黏土心墙坝(坝顶高程149.80m，最大坝高67.8m)、左岸溢洪道(位于左坝端天然垭口，采用WES实用堰，堰顶高程为137.00m，控制段为两孔净宽为11.50m的泄流表孔，采用两扇11.50m×11.50m的弧形闸门控制)、右岸引水发电系统等建筑物组成。

泄槽底坡为1∶5的陡坡，梯形断面，底板为60cm厚C25钢筋混凝土，侧墙为50cm厚C20钢筋混凝土，底板与侧墙为分离式结构。陡坡段末端接消力池，采用底流消能，出堰水流进陡坡洼地消力池内消能，后经31m长护坦入下游河道。消力池深5.0m，长35m，最大宽度30m，底板厚1.5m，两边为0.5m厚的贴坡式混凝土侧墙。

主要施工调整：消力池底板厚度调整为600mm，底层钢筋取消，结构筋均为φ12钢筋，间距由20cm调为25cm，取消边墙基础与底板衔接处伸缩缝，锚筋间距由2000mm×2000mm调整为4000mm×4000mm，入岩深度由3500mm调整为2000mm；护坦底板、斜墙均改为素混凝土结构，厚度调整为300mm。

1.2 水毁原因及分析

2014年5月24日22时—25日8时，受我国南方多地连续强降雨影响，该水库上游库区流域平均降雨121.3mm；25日凌晨，库区水位超警戒或防洪高水位(147.00m)0.7m，入库流量达128.12m3/s，出库流量201.73m3/s，运行管理单位开闸泄洪；在下泄流量逐渐增大的过程中，因溢洪道泄槽尾部为全风化基岩，随着该部位混凝土底板及其下部基岩相继被高速水流冲毁与淘空，泄槽底板混凝土剥离及基岩淘刷区迅速向上、下游扩展，并在泄槽基础中下部形成1～3号冲坑，其中2号坑最大，冲坑深度为15m；3号坑最大冲坑深度估计超过20m，两侧岸坡局部坍塌，已严重威胁工程蓄水安全(见图1)。

图1 溢洪道损毁现状险情平面

失事调查表明，溢洪道泄槽水毁主要是由不良地基条件与泄槽板块在高速水流作用下现有贯穿性裂缝、孔洞快速扩展，伸缩缝止水遭受破坏，脉动压力水快速进入底面缝隙层产生强大的脉动上举力所致[1]。

2 台阶式溢洪道消能原理

2.1 原理及优点

一般溢洪道消能主要采用以下三种方式：水流从挑流鼻坎挑入水垫塘；溢洪道末端按设计建造消力池，形成水跃消掉大部分能量；溢洪道泄槽底板设置台阶，水流流过粗糙的或有台阶的泄槽消去大部分能量。由于泄槽面台阶存在，槽面的“表面糙率”增加，造成下泄中能量耗散，这就是台阶式溢洪道主要机理。台阶式溢洪道可明显地提高消能率，极大减少下游消力池的规模及费用。

台阶上的水流流态可分三种形态[2]：表层水流、过渡水流和舌形水流。表层水流形态中沿台阶表面向下表现为黏滞流并有台阶间的洄流作为水垫。台阶隅角和主流之间产生洄流旋涡。舌形水流形态中可分成许多小的自由跌落，多数情况下，水流从每个台阶跌落到下一个台阶上，随之产生完全或部分发育的水跃。介于两者流态之间的为过渡水流。

较传统溢洪道消能方式，台阶式具有几大优势：ⓐ消能率高：坡度及单宽流量等同下，台阶式消能率比光面式高很多，据测算相同泄量下与常规光面式相比消能率可提高40%～70%[3]；ⓑ节省投资：台阶消能与消力池消能存在相辅关系，泄槽采用台阶式可节约10%～30%消力池规模，节省5%～10%工程投资；ⓒ施工进度快、工期短；ⓓ不易发生空蚀。台阶式泄槽水流具有较大阻力，可明显降低水流速，故发生空蚀破坏可能性小。

2.2 消能率计算

通常情况下，台阶式溢洪道的糙率n计算式为[4]：

n=Δ1/6(7.99×9.80.5)

式中Δ——绝对粗糙高度，取Δ=tcosθ；

t——台阶高度。

式中E1、E2——上、下游断面总能量；

H——下游断面到溢流堰堰顶的垂直距离；

H0——库水位到堰顶的垂直距离；

hp——下游断面垂直坝面的水深；

θ——溢洪道坡度；

v——下游断面流速。

相对消能率：

式中E0、E1、E2——来流断面总能量、台阶式溢洪道断面和对应光滑溢洪道对应该位置断面的能量，E0、E1由实测值计算所得，E2则由连续方程和能量守恒计算得到。

纯台阶消能率：

ΔZi=Z-Zi；ΔZgi=Z′-Zgi；

式中Z——台阶溢洪道进口处总水头；

Z′——光滑溢洪道对应进口处总水头；

Zi——计算断面处总水头；

Zgi——光滑溢洪道对应计算断面处总水头。

3 加固修复设计

3.1 地质概况

受损泄槽底板混凝土大部分破损，已被水完全冲走，基岩裸露，其中0+000～0+108段为泥盆系(D2t3)灰黄-灰绿色绢云母石英片岩、片状砂岩夹石英砂岩及薄层铁锰质条带，其中铁锰质夹层松散，厚度一般0.2～0.3m，最厚可见约0.8～1.0m，经过水流冲刷后岩石以弱风化为主，较坚硬，局部有少量强风化残留；桩号0+108～0+120段为泥盆系(D2t4)灰黄-灰绿色绢云母石英片夹石英岩、薄层铁锰质及钙质条带，铁锰质夹层松散，厚度一般为0.3～0.8m，底板岩石以弱风化为主，较坚硬，但靠左侧坡脚底板处仍为强风化岩体，强度较低，厚约3～4m；桩号0+120～0+160段为3号冲坑，在抢险时已进行块石抛填整平，表部采用2m×1.5m×1m规格钢筋笼进行平铺搭设焊接形成整体回填。桩号0+160段(包括消力池)底板均被碎、块石淤积掩埋，淤积厚约1～8m不等。

桩号0+107～0+160段的两侧边坡坍滑，由泄洪水流冲刷形成高约15m的近自立的陡坡，部分倒悬，边坡岩性为黄褐色绢云母石英片岩、片状砂岩夹多条薄层铁锰质条带，全-强风化状，岩体破碎，在边坡的外围已出现不同程度的拉裂缝，稳定性差。

3.2 加固设计

方案为“台阶式泄槽，加深加长消力池”的修复方案，闸室岀口附近泄槽底板增设通气槽。具体为：泄槽上游段底坡为1∶4，底板设置连续台阶，从首部至3号冲坑前部(Y0+018.0～Y0+123.6)设置高0.6m、宽2.4m的台阶共44级。3号冲坑之后至消力池之间底坡为1∶2.5，设置连续台阶，台阶高0.8m，宽2.0m，共11级，台阶段与上下游底板之间采用圆弧过渡。底板与侧墙采用整体式结构，底板下部设抗浮φ25锚筋。3号冲坑以上泄槽段两侧边坡采用挂φ8钢筋网喷混凝土护坡。3号冲坑塌方滑坡体挖除，进行削坡处理，采用C15埋石混凝土重力式挡土墙进行防护。

原消力池全部拆除重建，底宽25.0m，池深7.0m，池长59.0m，池内设消力墩，消力墩布置及结构尺寸根据模型试验比选，在桩号Y0+206.50处布置一排梯形消力墩，共4个，消力墩高4.0m，宽3.0m，顶宽0.8m(见图2)。底板采用抗冲耐磨HF C30混凝土，厚1.2m，下部设置φ25抗浮锚筋。两边为贴坡式C30混凝土侧墙。

图2 台阶式修复方案纵剖面

4 模型试验成果及分析

加固之前已对溢洪道单体进行了水工模型试验，模型试验主要对已定的堰型进行过流能力复核，对泄槽及消力池布置方案进行消能防冲试验，验证消能效果，并补充必要的辅助消能设施，优化泄槽及消能工结构设计。

4.1 流态

为改善闸室出口水翅现象，将闸室出口后泄槽连接段的斜坡翼墙改为扭面，使控制闸两侧边墩与泄槽侧墙平顺连接(见图3)。未设扭面前，闸室出口出现明显水翅且高于边墙，改为扭面后观测发现，两侧边墙几乎未出现此现象(见图4)。

图3 扭面侧面

图4 闸室出口流态(P=1%；Q=1360m3/s)

因地形受限，泄槽坡度较缓，台阶尺寸不尽理想，大流量下台阶的消能率较低。在第四级台阶处设置掺气槽后，试验发现台阶上水流掺气非常明显，并在台阶内侧形成稳定漩涡，台阶的消能作用得到充分发挥(见图5和图6)。试验表明掺气槽能影响下游整个泄槽内水流掺气效果。

图5 掺气槽平面

图6 通气孔结构(单位：mm)

消力池内设置消力墩后，小流量下流态影响甚微，随着流量增加，消力墩对流态的影响加大。未设前池内为远驱式水跃，设后池内水跃为淹没式水跃，并在墩附近出现二次水跃现象(见图7和图8)。

图7 泄槽内流态(Q=250m3/s)

图8 设消力墩时消力池流态(P=0.05%)

4.2 消能率

表1为不同下泄流量条件下优化前后总消能率，除下泄流量为971m3/s(消能工况)时总消能率基本不变外，其他下泄流量下的总消能率都升高了13%以上。

表1 优化前后总消能率

4.3 下游冲刷

冲刷主要发生在接出水渠出口的河道段，水流直冲河道右岸。下泄流量为971m3/s时，由于下游河道最大流速达7.77m/s，远大于抗冲流速，最大冲坑深度已超10m。渠口河道冲刷严重，冲刷范围为下游80m，冲起的散粒体淤积在下游河道，淤积高度达8m，严重阻碍河道行洪，主流偏离河道而转向右岸农田(见图9和图10)。目前渠口河道部分已进行衬护，但出水渠口与河道交叉部分仍裸露未衬护，建议对裸露部分进行衬护。