奋斗水库重力坝溢流坝段的水力设计

尹玉顺

(1.东北农业大学，哈尔滨150030;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 工程概况

奋斗水库行政区划属于黑龙江省穆棱市，距穆棱镇东南14.1 km的穆棱河干流上游，坝址以上流域面积1 740 km2。是一座以灌溉、供水、防洪为主，兼顾发电等综合利用的大型水库工程。奋斗水库总库容为2.13×108m3，根据《防洪标准》(GB50201—94)及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)规定，大于1×108m3，为大(2)型，属Ⅱ等工程;设计标准为:100 a一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核。

枢纽主要建筑物包括:拦河坝、溢流坝、进水口、坝后式厂房等。拦河坝采用全断面碾压混凝土重力坝，坝顶高程387.80 m，防浪墙顶高程389.00 m，坝顶长391 m，最大坝高47.8 m，坝顶宽度6.5 m，基础座落在弱风化层中部花岗岩，坝基进行固结灌浆和帷幕灌浆。溢流坝段位于主河床，分3孔，每孔净宽10 m。坝式水电站引水建筑物布置在主河槽偏左侧非溢流坝段，进水口采用坝式进水口，由进水口和压力管道等组成。坝后式水电站厂房布置在溢流坝左侧坝下45 m处，水电站主要建筑物由主厂房、副厂房、尾水渠、尾水挡土墙、回车场、升压站、对外交通等组成。

2 溢流坝段布置

溢流坝段布置在主河床，分3孔，每孔净宽10 m，中墩宽3 m，边墩宽2.5 m，溢流坝段总宽41 m。工作门采用弧形闸门，由液压启闭机控制，弧门上游1.50 m处设检修钢闸门。

闸墩顶高程初步确定为389.00 m，交通桥和工作桥分开布置，交通桥布置在闸墩下游，桥宽6.5 m;为解决工作桥的布置，上游墩头悬出上游坝面2.0 m，闸墩顺水流长度为23 m。两边墩下游接导墙，墙身厚2.5 m，高程374.00 m以 1∶0.75斜坡至高程363.20 m，再以高程363.20 m延伸至挑流鼻坎末端。

溢流坝段的堰顶高程为376.00 m。溢流坝段的堰面曲线包括3个部分:溢流堰顶曲线段、坝面陡坡段和反弧挑坎段等。其中堰顶上游堰头采用三圆弧，堰顶下游堰面采用WES型幂曲线，幂曲线方程为x1.85=13.682 y，坝面陡坡段坡比为1∶0.75，反弧段半径为21 m，圆心角为81.25°。堰体顺水流长度为47.69 m。下游采用挑流消能，挑流鼻坎末端高程为355.20 m，鼻坎挑角为28°。为防止泄洪时高速水流对溢流坝面的冲刷，堰面采用C40抗冲耐磨混凝土，厚1.0 m，闸墩及导墙采用C25抗冲耐磨混凝土。

为减小泄洪时水流对坝后电站尾水的影响，在溢流坝与厂房之间设置长度约80 m混凝土隔墙。

3 溢流坝段水力设计计算

3.1 堰形设计

采用WES型幂曲线，堰面曲线如图所示，其体型参数按《混凝土重力坝设计规范》(SL319为2005)，见表1，堰面曲线见图1。

表1 堰面曲线参数

图1 堰面曲线示意图

Hd为堰面曲线定型设计水头，对于上游堰高 P1＞ 1.33 Hd的高堰，取Hd=(0.75～0.95)Hmax;Hmax为校核流量下的堰上水头。

本次设计取Hd=0.85Hmax=9.605m，幂曲线为x1.85= 13.682 y;曲线后首先接坡度为1∶0.75的直线段;然后接半径为21 m，圆心角为81.25°的反弧段，挑流鼻坎高程为355.20 m，鼻坎挑角为28°。

3.2 泄流能力计算

根据《溢洪道设计规范》(SL253—2000)，开敞式WES型实用堰的泄流能力按下列公式计算:(适用于H0/b≤1.0，当H0/b＞1.0时，H0/b仍取值1.0。)

式中:Q为流量，m3/s;B为溢流堰总净宽，m;H0为计入流速水头的堰上总水头，m;m为流量系数;ε为侧收缩影响系数; c为上游堰坡影响系数;ξ0为中墩形状系数;ξK为边墩形状系数。泄流能力计算成果见表2。经验算，泄流能力满足设计要求。

3.3 堰面水面线计算

堰面水面线根据能量方程，用试算法计推求势流水深hp，计算公式如下:

正交于坝面的坝面水深为:

单宽流量q为:

边界层厚度δ为:

掺气水深hb为:

式中:L为从堰顶曲线起点到点(Xi，Yi)的坝面距离;K为坝面粗糙高度，取K=0.427～0.61，mm;ζ为修正系数，一般为1.0～1.4。溢流坝段水面线计算成果见表3。

表2 泄流能力计算表

表3 水面线计算表

3.4 消能防冲设计

由于溢流坝段布置在主河床，河床基岩为花岗闪长岩。本工程水头高，下泄流量大，基岩有一定的抗冲刷能力，下游消能型式宜采用挑流消能。经计算各工况下均能满足消能要求，消能计算成果见表4。确定消能方式为挑流，按《混凝土重力坝设计规范》(SL319为2005)挑流消能公式计算。

a水舌挑距计算:

式中:L1为自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m;v1为鼻坎坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍计;θ为挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，°，θ=28°;h1为挑流鼻坎末端法向水深，m;h2为鼻坎坎顶至下游河床面高差，m。

b冲刷坑最大水垫深度按下式计算:

式中:T为自下游水面至坑底的最大水垫深度，m;q为鼻坎末端断面单宽流量，m3/(s·m);H为上下游水位差，m;K为综合冲刷系数，K=1.2。挑流消能计算成果见表4。

表4 挑流消能计算成果表

经计算，各工况下冲坑上游坡度，均缓于规范规定的1∶2.5，满足规范要求，不会危及大坝的安全。

3.5 防空蚀设计

溢流坝堰顶附近的堰面负压值，当校核洪水闸门全开时经查表计算，为1.921×9.81kPa，＜规范规定的6×9.81kPa，满足要求。

4 结束语

本次溢流坝段的各项水力计算，均采用公式法，其中的各项系数，都存在一定的简化和近似计算，一些细部的设计计算没有实现，例如溢流坝的门槽、反弧段及其附近区域，溢流坝面流速＞20m/s的高速水流区都有可能发生空蚀破坏，需对泄水建筑物进行防空蚀设计。本次未对空化数进行计算，应由水力学模型试验测得坝面的动水压力值和流速值，再进行进一步的防空蚀设计。因此，对于大、中型工程，溢流坝段的堰面曲线、闸墩形式、门槽、堰面压力、泄流能力和反弧半径等，需经水工模型试验验证。

［1］江苏省水利勘测设计研究院.SL265—2001水闸设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2001.

［2］水利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.SL319—2005混凝土重力坝设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2005.

［3］水利部天津水利水电勘测设计研究院.SL253—2000溢洪道设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2000.

［4］中华人民共和国水利部.GB50201—94防洪标准［S］.北京:中国计划出版社，1994.

［5］长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.SL252—2000水利水电工程等级划分及洪水标准［S］.北京:中国水利水电出版社，2000.