基于水库除险加固工程溢洪道闸墩尾部体型优化研究——以葠窝水库为例

李 冰

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳 110000)

1 水库概况

葠窝水库建于辽阳市境内的太子河干流，正常蓄水位96.6m，最高水位102.0m，最大库容7.91亿m3，控制流域6175km2，是一座兼具供水、灌溉、防洪、发电、旅游和养殖等功能于一体的大型水利工程。水库大坝全长532m，最大坝高50.30m，坝顶高程103.50m，该混凝土重力坝主要由电站坝段、溢流坝段和挡水坝段构成。其中，溢流坝段设有溢流表孔14个，以右侧主河床为主。工程建设和设计标准偏低，经长期运行水库大坝渗漏损失逐年加大，各种病害不断加剧，严重影响着工程效益的发挥，汛期一旦发生险情必将对下游居民安全构成潜在威胁。因此，当地政府积极筹措资金对葠窝水库实施除险加固，工程范围覆盖电站坝段、溢流坝段和挡水坝段加固，廊道、通气孔、闸门井、大坝施工缝等部位裂缝处理，底孔改造与加固，电站、底孔、溢洪道、溢流排水等设备安装，大坝岸坡防护以及下游河道治理，排水沟、交通路、桥涵、码头以及水库安全监测系统改造等[1-3]。

2 试验设计

2.1 模型设计

采用水工模型试验研究下游河岸冲刷以及河床淤积问题，优化设计溢洪道体系和布置，科学确定下游消能防护型式及其范围，通过合理分析和处置试验中发现的问题，进一步揭示溢流坝段水力学特征，为葠窝水库除险加固方案设计提供一定支持。

遵循重力相似准则合理设计模型，结合水工建筑物的集合尺寸以及葠窝水库原型的水流特征，考虑试验精度的实际需求合理设计水工模型几何比尺为100。根据葠窝水库布置实际情况确定模型模拟范围：上游最高地形略高于坝顶高程(模拟至105.0m)，以溢流坝中心线的两侧各300m作为横向模拟区，下游最高地形模拟至65.0m，两侧适当预留观测平台，上、下游至坝轴线以上500m和坝轴线以下580m。采用砖石水泥砂浆砌筑水工模型模拟的河床部分，利用有机玻璃制作表孔溢洪道，抹面水泥砂浆为1∶2。模拟过程中，控制模型的水平误差不超过10mm，高程误差不超高0.20mm[4]。

2.2 工况设计

采用太子河干流水文资料和葠窝水库设计资料，拟设计三种水工模型模拟工况：设计洪水工况的库水位98.95m(工况一)、校核洪水工况的库水位98.75m(工况二)、消能防冲洪水工况的库水位95.50m(工况3)。

2.3 模型沙选择

根据葠窝水库的地质资料确定下游河道覆盖层和溢流坝段水垫塘基岩的抗冲流速为2.0-2.5m/s、4.0-5.0m/s。针对模型沙的粒径考虑利用抗冲流速经验公式估算，水工模型中的基岩部分抗冲料和下游河道覆盖层抗冲料选择粒径为8.0mm、2.0%的白云砂，可利用以下经验公式模拟计算抗冲流速v，即：

(1)

式中：k为模型系数(m0.5/s)；D为抗冲粒径，mm。

3 原始方案试验结果

3.1 溢流坝原始设计方案

葠窝水库堰顶高程95.80m，溢流坝段长274.20m，14个溢流表孔由12m×12m的14扇弧形钢闸门控制。溢流堰堰面呈抛物线，曲线方程为y=0.0538x1.85，下游泄流槽(宽185.0m)与堰面后相接，大坝下游坡度与底坡坡度相同均为1∶0.75，挑流鼻坎设于泄流槽的后部，其挑角18.2°，半径达到30.0m[6-9]。

3.2 试验结果分析

采用水工模型模拟分析三种试验工况下的溢流坝原始设计方案，深入分析采集与观测的数据：①在泄流能力方面，原始设计方案的溢流坝段能够完全满足需求，表明溢流表孔设计尺寸以及溢流坝的堰顶高程符合科学合理性要求；②工况一、工况二条件下堰顶部分区域出现负压区，但负压值较低不会引起显著的水流空化现象，能够保证溢流坝的安全运行，沿程水深变化与泄槽段压力变化保持一致，并且都为正值，说明陡坡段与堰面曲线设计合理；③上游库区水流流态平衡且正常蓄水位情况下基本为静水区，水库溢流坝段无产生横向水流；④溢流坝表孔的进水口来水比较顺畅，前水面也较为开阔，下游泄槽内水流受到墩尾体型的影响流态较差，产生约8m高的水冠。泄流表孔全开的条件下泄槽内产生对称折冲水流，而不对称开放孔口闸门的情况下则出现不对称折冲水流，并进一步引起水流冲击边墙。所以，有必要进一步优化闸墩尾部设计方案，对原设计方案做出适当的调整。

3.3 溢洪道闸墩尾部梯形优化

1)优化方案一：考虑到有7-8m左右的无水区分布于表孔溢洪道中隔墙墩下游处，受下泄水流冲击后形成较高的水冠，使得泄槽内水流流态整体偏差。所以，将两个半径为8m的半圆弧尖头闸墩设置在墩尾下游，设计水平长度5.60m，从而生成优化方案一。采用水工模型模拟优化方案一，结果显示沿尖头闸墩的圆弧水流流向下游，这虽然降低了水冠高度(约6m)并且出现在下游，但并未解决水冠问题，仍需进一步优化设计改善泄槽内的水流流态。

2)优化方案二：结合方案一试验数据，设计成圆弧面的闸墩墩尾体型有利于改善水流流态，在一定程度上减小水冠高度。因此，考虑以优化方案一为基准进一步增大半圆弧半径，半径从8m加大至10m，使下泄水流流线与尖头闸墩曲面更加温和，通过降低水流汇流夹角减小泄槽内的水冠高度。为维持溢洪道的整体设计不发生改变，向上游把墩尾末端移动1m，设计水面线以上断面仍为矩形。采用水工模型模拟优化方案二，结果发现泄槽内的水冠高度减小到5.0m，进一步改善了水流流态，但挑流鼻坎上游仍为水冠的落点处，这并不会明显改变鼻坎的水舌形态。

3)优化方案三：采用公式x2/2.252+y2/6.22=1生成方案三，采用水工模型模拟优化方案三，墩尾下游形成的水翅在中墩两侧泄流表孔开度不同时会向开口小的一侧偏移，泄槽内产生的水冠厚度较小、高度较低约为3.0m，但会发生左右摇摆，从而增大了水化的溅水范围，水流形态相对较差；3种工况下挑流鼻坎上游均为水冠的落点处，这并不会明显改变鼻坎的水舌形态。

4)优化方案四：结合方案三模拟结果，水流的交汇点与墩头末端的距离随墩尾流线型变化的增大而增加，水流流态也就更差，考虑到以上情况直接将墩头设计成较小的半圆形，从而生成方案四。采用水工模型模拟优化方案四，结果发现在墩头下游约3.0m处水流可以交汇，但由于泄槽坡度较大所产生的水冠高度依然较高，在挑流鼻坎的上游18m有水冠的落点处，基本不会改变挑流鼻坎出流水舌。

5)优化方案五：综合考虑以上问题和各方案的优劣情况，延长方案二中的中墩长度，并向下游延长6.0m使其处于掺气挑坎末端，从而声场方案五。采用水工模型模拟优化方案五，结果显示掺气挑坎末端与隔墩末端的延伸相接可以有效阻断相邻水流交互碰撞，在3种设计工况下均未形成水冠；相邻泄流表孔开度不同时泄流槽内也未产生溅水现象，从而彻底解决了水冠引起的水流流态较差问题。因此，闸墩下游表孔溢洪道重建工程应选择优化设计方案五，并将其作为最优推荐方案[10-15]。

4 结 论

文章利用物理模型研究了葠窝水库除险加固原设计方案，通过模拟分析探讨了原设计方案的溢洪道水流水利特征，并优化设计了闸墩尾部体型，从根本上解决了下游泄槽段所存在的问题，经优化设计泄槽段水流平稳、无溅水现象且水冠消失，可作为闸墩下游表孔溢洪道重建工程优选方案。