阶梯式消能工在大河口水库溢洪道中的应用

王洪伟,徐 岗

(1.安吉县水利局,浙江 安吉 333000;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 工程概况

大河口水库位于安吉县鄣吴镇西南部约4 km处,西苕溪支流浑泥港沙河上游。水库集雨面积19.6 km2,主流长度8.2 km,原设计总库容1 010万m3,是一座以灌溉为主,结合防洪、发电、养殖等综合利用的中型水利工程。

工程始建于1964年,1965年完工。枢纽工程由拦河坝、溢洪道、输水洞及电站等建筑物组成。水库运行45 a来,经历了多次洪水的考验,发挥了较大的经济和社会效益,但同时也存在不少问题,影响水库安全运行。根据《浙江省安吉县大河口水库大坝安全鉴定报告》,大河口水库大坝定为“三类坝”,必须进行加固处理。

该除险加固工程调洪计算结果为100 a一遇设计洪水位127.09m,相应下泄流量220 m3/s;2 000 a一遇校核洪水位127.99 m,相应下泄流量380 m3/s。

溢洪道加固设计采用底流消能,2级消力池方案溢洪道总长174.89 m。具体如下:

溢流堰长50 m(扣除桥墩后净宽47 m)、宽3.5 m的宽顶堰,上游坡度为1∶2。溢流堰后接3级泄槽,3级泄槽均为梯形断面。泄槽末端接新建的2级消力池。第1级消力池长25m,池深2.0 m,池宽20 m,池底高程为102.30 m;第2级消力池池长20 m,池深1.0 m,池宽20 m,池底高程103.30 m。结合现场地形特征,消力池左岸边墙采用直立式混凝土挡墙,右岸采用1∶1斜坡混凝土挡墙。工程平面布置见图1,溢洪道剖面布置见图2。

溢洪道后的泄洪渠按20 a一遇标准设计,起点桩号0+000.00m处渠底高程为104.0 m,以桩号0+100.00 m和桩号0+300.00 m为分界,3段渠道的设计底坡分别为2.0,1.0,0.5%,至渠道末端桩号0+476.68 m处,渠底高程为99.17m。

图1 工程平面布置图

2 溢洪道光滑陡槽消能

原溢洪道为开敞式宽顶堰,后接二级光滑陡槽,陡槽末端采用斜挑鼻坎消能。多年运行下来,都是在小流量情况下运行,虽然没有造成什么破坏,但是在大流量运行时将严重影响左侧公路的安全,进而影响溢洪道的行洪安全。为此此次除险加固设计将消能方式改为底流消能。通过水工模型试验表明:

校核工况 (P=0.05%):由于第1级泄槽两侧边墙在平面上的非对称布置,且横断面净宽由桩号0+011.58 m处的50 m逐渐收缩到桩号0+071.69 m处的26 m,加之主库区位于溢洪道的右前方,过堰水流入泄槽后在第1段泄槽内左侧边墙处形成壅水,横断面上泄槽左侧水深明显大于右侧,至第2级泄槽收缩断面处水深横断面分布逐渐均匀,水流至第3级泄槽桩号0+121.69 m处直接挑入消力池内,并在一级消力池左岸沿程形成翻滚激烈的涌浪,消力池左侧涌浪翻滚至114.3 m高程,流态见图2。

图2 P=0.05%流态图(光滑陡槽消能)

设计工况(P=1%):第1级泄槽内流态基本类似于校核工况,水流沿程逐渐偏向右岸,至收缩断面桩号0+086.69m处,主流主要集中于泄槽中央,泄槽内横断面上水深分布不均。在第3级泄槽起始断面桩号0+121.69 m处,水流直接挑入消力池内,挑流水舌位于桩号0+132.50 m,消力池左侧涌浪翻滚至112.3 m高程。

消能工况(P=3.33%):泄槽内流态基本类似于设计工况,水流在第3段泄槽的起始断面桩号0+121.69 m处集中于泄槽中央,入池挑流水舌位于桩号0+132.24 m处,泄槽对岸消力池内涌浪翻滚至111.0m高程,二级池内涌浪跌落位置位于桩号0+161.89 m处。

P=20%工况:槽内流态基本类似于消能工况,入池水舌位于桩号0+128.89 m处,泄槽对岸消力池内涌浪最高至108.9m高程,流态见图3。

图3 P=20%流态图(光滑陡槽消能)

试验还观测了5 a以下小流量洪水的流态情况,即便是泄流量只有10 m3/s的情况下,也直接挑入消力池内,不能形成底流消能。

因此,该方案显然不能够满足设计要求,需要进行优化。

3 阶梯式消能工布置[1-3]

根据光滑陡槽水流流态情况,对第2级泄槽设置非常规的非连续外凸式阶梯,第2级泄槽坡降由原来1∶1改为1∶2,并设置内凹式台阶进行坡面消能 (见图4)。结果表明:

校核工况 (P=0.05%):横断面水深在第1级泄槽末分布趋于均匀,第2级泄槽内阶梯坡面消能作用不大。水流沿着第3级坡泄槽进入消力池内,在第3级泄槽阶梯式斜坡上发生水跃,泄槽对岸涌浪翻滚至112.5m高程。水流翻滚并折向消力池右岸,流态见图5。

图4 泄槽剖面布置图

图5 P=0.05%流态图 (阶梯式消能)

设计工况(P=1%):第1、2级泄槽流态基本同校核工况。水流进入第3级泄槽,在阶梯坡面上产生掺气漩滚,并在阶梯式斜坡上产生水跃。实测桩号0+108.83 m处横断面平均流速12.99 m/s,跃首处横断面平均流速14.22 m/s。泄槽对岸涌浪翻滚至109.8 m高程,经消力墩消能后,浪高、翻滚激烈程度大为改善。一级池内左岸处,实测底部最大顶冲流速4.00 m/s,在一级消力池末主流集中于左侧,宽度约18m。在一级池右岸的边坡上存在小范围的回流区。二级消力池内形成水跃。

消能工况(P=3.33%):第1级泄槽内,横断面水深分布略有不均,左侧水深略高于泄槽右侧;水流进入第2级阶梯泄槽后,阶梯坡面消能作用明显;水流进入第3级泄槽后在阶梯台阶上发生掺气漩滚,在池内发生水跃,消力墩处水流翻滚激烈。涌浪也主要集中于池中的消力墩处,一级池左岸边墙处,实测最大底部顶冲流速约2.36m/s,无明显翻滚涌浪存在。受消力池转弯影响,在一级池右岸边坡处形成小范围回流,最大流速3.76m/s。二级消力池内形成水跃。

P=20%工况:泄槽内流态基本类似于消能工况,一级池内跃首位于桩号0+124.69 m处,经消力墩后消能充分,左岸无涌浪存在,池内水流平顺,流态见图6。

图6 P=20%流态图(阶梯式消能)

总之,流态明显改善。校核、设计工况下,涌浪范围、高度、激烈程度均有所减小,尤其是消能工况,一级池左岸转弯边墙处无明显涌浪存在。在P=20%工况下,水流经坡面台阶及消力墩消能充分,一级消力池内水流平顺。

4 结 语

通过大河口水库泄洪道消能工优化布置研究表明,利用阶梯式消能工新型消能技术,可以有效减轻下游消能防冲压力,降低溢洪道消力池导墙的安全隐患;同时也解决了除险加固工程中普遍存在的改建建筑物布置受现有客观条件制约的矛盾。成果对类似的改扩建和新建工程具有广泛的推广应用价值。

[1]陆芳春,徐岗,施林祥,等.阶梯式消能工在石壁水库工程中的应用研究 [J].浙江水利科技,2006(1):32-33.

[2]陆芳春,包中进,徐岗.阶梯式溢流面水力特性规律研究[J].浙江水利科技,2008(2):34-38.

[3]黄智敏,朱红华.缓坡度陡槽溢洪道阶梯消能研究与应用[J].中国水利水电科学研究院学报,2005(3):179-182.