驮英水库溢洪道设计要点分析及工程处理措施

2023-11-11张祖航董蔷薇

广西水利水电 2023年5期

关键词：水舌挑流抗冲

张祖航，董蔷薇

（1.北海河海水利水电设计院有限责任公司，广西北海 536000；2.南宁职业技术学院，南宁 530007）

1 工程概况

驮英水库为大II型水库工程。工程由拦河坝、溢洪道、泄洪隧洞、灌溉发电进水口及下游护岸等建筑物组成，其中溢洪道工程设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为2000 年一遇；下游消能防冲建筑物洪水标准为50年一遇。

溢洪道布置在推荐坝址右岸山坡上，沿岸坡开挖、局部回填而成，全长约420.1 m，由进水渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎组成。溢洪道中心线方位角为SW 72°17'8″，与坝轴线的夹角为60.74°，出口与下游河道夹角约16°。

（1）进水渠段。进水渠段全长约159 m，由进口喇叭段和渐变段组成，分别长119 m及40 m，渐变段底板面高程为213 m，控制堰前沿净宽39 m。进口喇叭段两侧边坡由1∶0.75 渐变至1∶0，采用衡重式混凝土挡土墙护坡。全渠段两侧岸坡坡比为1∶

0.5～1∶1.25。

（2）控制段。控制段溢流堰采用岸边闸控开敞式无坎宽顶堰型式，上游侧与进水渠相接，下游采用y=0.01x2的抛物线与泄槽陡坡段相衔接，溢流堰堰顶高程为213 m，溢流堰堰顶布置3扇11 m×14 m（宽×高）弧形工作闸门挡水，3孔溢流堰共用1扇平板检修闸门，闸顶布置有检修门的门式起重机、工作门的液压启闭机房和交通桥。控制段闸室坝轴线方向总宽度46 m，顺水流向长28.5 m，闸室底板厚3.5 m，边墩厚3.5 m，中墩厚3 m。坝顶高程为234.5 m。

（3）泄槽段。泄槽段水平总长206.7 m，展开总长209.92 m，采用矩形断面，净宽39 m，设计底坡i=0.18，底板厚1.0 m，泄槽底部设Φ200纵向排水盲管及Φ150横向排水盲管。

（4）挑流鼻坎。挑流鼻坎段中心线长25.9 m，起始端采用半径为37 m的反弧挑流段与泄槽相接，鼻坎挑射角为θ＝30°，鼻坎顶高程为181.362 m；左侧边墙采用重力式，右侧边墙采用衡重式，起始段和末端的顶高程分别为184.500 m 和189.162 m，中间采用1∶4.7坡度连接。

溢洪道纵剖面详见图1。

图1 溢洪道纵剖面图

2 溢流堰泄流能力计算

2.1 理论计算

采用《溢洪道设计规范》（SL253-2018）（A.2.3）宽顶堰泄流计算公式进行溢洪道溢流堰泄流计算。溢洪道溢流堰前设长约159 m的进水渠段与库水位连接，进水渠由进口喇叭段和渐变段组成，分别119 m及40 m，渐变段底板面高程为213 m，控制堰前沿净宽39 m。因此，溢洪道泄流能力计算采用的堰前水位为大坝坝前水位减去进水渠水位降。通过计算，未考虑进水渠水位降的泄流曲线见表1，考虑进水渠水位降的泄流曲线见表2。对比可知，下泄相同流量时，两条泄流曲线的水位相差0.417～0.557 m。

表1 未考虑进水渠水位降的泄流曲线

表2 考虑进水渠水位降的泄流曲线

2.2 模型实验

通过1∶50溢洪道单体模型试验，量测分析了溢洪道泄流能力、流态、进水渠流速、压力、水面线等水力学参数，通过模型实验的验证，进水渠会有水位降，大概0.5 m左右，实验数据更接近表2的计算成果。

2.3 实施工程措施

泄流曲线采用的数据为表2 的成果，确定校核洪水位、设计洪水位、正常蓄水位进行溢洪道的结构设计。

3 泄槽段设计要点

3.1 理论计算

按照规范水力学计算公式发现，泄槽段的水流流速超过25 m/s，水流空化数较低，需要在泄槽内设置泄槽内宜设置掺气设施，以减免泄槽过流底面的空蚀破坏。

泄槽段的水流流速超过25 m/s，泄槽段的冲刷较严重，泄槽表层混凝土需要进行抗冲设计。

3.2 模型实验

通过1∶50溢洪道单体模型试验，由于泄槽中下段水流流速较大，超过30 m/s，水流空化数低于0.30，依据有关规定，泄槽内宜设置掺气设施，以减免泄槽过流底面的空蚀破坏。根据试验得到的压力特性与水流空化数等，拟定在溢洪道泄槽下游桩号0+176.17 m处设置掺气坎。共进行了3个方案的比选研究。

3.2.1 方案1

掺气坎方案1 体型尺寸见图2。掺气坎挑坎长度为3.93 m，坎面坡度为1∶8，挑坎高度0.49 m，跌坎高度为1.11 m，坡面为平坡；通气孔设置在泄槽两侧，其断面为圆形，管半径0.9 m。

图2 掺气坎方案1体型尺寸

掺气坎上部水舌底缘掺气，并呈抛物线形态入射至掺气坎下游底板，水舌入射方向与溢洪道底板呈一定夹角，入射点上下游水流流向相反，部分掺气水流流向下游，另一部分水流掺气回溯至上游掺气坎内，掺气坎内积水较深，空腔稳定性与通透性较差。

各运行工况下，随流量的增大，水舌底缘水平长度减小，坎内积水增加，空腔体积减小。校核工况时，水舌底缘水平长度为7～8 m，坎内积水深度0.5～0.9 m，跌坎内积水水面与水舌底缘频繁搭接。

3.2.2 方案2

方案2 在方案1 基础上，挑坎高度由0.49 m 增大为0.98 m，掺气坎挑坎长度由3.93 m 延长为7.85 m。掺气坎体型尺寸见图3。

图3 方案2掺气坎体型尺寸

相比方案1，方案2 在大流量时掺气坎内流态有所改善。校核工况时，水舌底缘水平长度增大为13～14 m，空腔体积有所增大，掺气坎内积水深度较大，为0.8～1.3 m，空腔体积相对有所增大，坎内积水水面与水舌底缘时而搭接，空腔通透度性与稳定性仍较差。

3.2.3 方案3

方案3 在方案2 基础上，掺气坎挑坎坡比由方案2 的1∶8 增大为1∶5，挑坎长度由方案2 的7.85 m增大为8.16 m，挑坎高度由0.98 m 增大为1.63 m。方案3掺气坎体型尺寸见图4。

图4 方案3掺气坎体型尺寸

方案3 在大流量条件下掺气坎处形成了通透的、具有一定长度的稳定空腔，空腔下游水流掺气充分。方案3 掺气坎体型作为推荐掺气坎体型，并在此基础上进行典型工况试验研究。

3.3 工程实施措施

（1）在溢0+176.170增加了掺气坎，尺寸详见方案3。泄槽底板采用1 m厚C40HF抗冲耐磨混凝土。

（2）HF抗冲耐磨混凝土，此混凝土属于新型材料，在混凝土中增加适量的HF外加剂，提高了混凝土的原有性能，能很多好的解决溢洪道泄槽段高流速抗冲耐磨防空蚀等问题。

4 挑流鼻坎段设计要点

（1）理论计算。按50 年一遇水位进行消能防冲计算，溢洪道出口为挑流消能，根据理论计算，坎面流速超过32 m/s，属于高速水头，需考虑建筑物表层的抗冲耐磨。水舌抛距110 m。

（2）模型实验。当弧门开度为0.5 m、1.0 m 时，下泄流量较小，出挑流鼻坎水流未起挑而跌至下游河道，需要进行坎下护坦设计，防止坎底被掏空；当弧门开度较大时，水流以抛物线形态挑射至下游河道，水舌挑距为70 m～110 m，当下泄流量增大时，水舌冲刷到右岸山体，不利于边坡稳定，需要增加处理措施。

（3）实施工程措施。挑流鼻坎坎下设4 m厚的C25（3）混凝土护坦，防止坎底被未起挑跌落的水舌破坏，进而影响结构的安全以及边坡的稳定安全。挑流鼻坎末端右侧增加了4 m 长10%的贴角，用于改变水舌的方向，避免冲刷右岸山体，以利于边坡稳定。挑流鼻坎的面层设1 m 厚C40（2）HF 抗冲耐磨混凝土，解决挑流鼻坎段高流速抗冲耐磨防空蚀等问题。