葠窝水库除险加固工程溢流坝闸墩尾部体型优化研究

(丹东市三湾水利枢纽及输水工程建设管理局，辽宁 丹东 118000)

1 工程概况

葠窝水库位于辽宁省辽阳市境内的太子河干流上，是一座以防洪为主，兼具灌溉、供水、养殖、旅游等综合功能的大型水利工程[1]。水库始建于20世纪70年代，控制流域面积6175m2，设计库容7.91亿m3。水库大坝为混凝土重力坝，全长532m，坝顶高程103.50m，最大坝高50.30m，主要由挡水坝段、溢流坝段和电站坝段组成。其中，溢流坝段位于右侧主河床，设有14个溢流表孔[2]。由于水库设计和建设标准较低，经过多年运行，目前水库大坝病害严重、渗漏损失逐年加大，不仅效益发挥受到影响，一旦汛期发生重大险情，将会威胁下游居民的生命财产安全。因此，辽宁省和辽阳市积极筹措资金，拟对葠窝水库进行彻底除险加固，工程范围包括挡水坝段、溢流坝段及电站坝段加固，底孔加固及改造，大坝施工缝、闸门井、通气孔、廊道等部位裂缝处理，大坝下游河道治理及岸坡防护，码头、交通路、涵、排水沟等改造，溢流坝排水设备、溢洪道设备、底孔设备、电站设备及安装，水库工程安全监测系统改造等。

2 模型试验设计

2.1 试验目的

通过水工模型试验研究和分析葠窝水库溢流坝的水力学特征，下游河床的冲淤以及河岸冲刷问题，优化溢洪道的布置和体型设计，确定下游消能区的防护范围以及型式，对试验中发现的问题进行合理分析和处置，为水库加固设计施工提供参考。

2.2 模型设计和制作

模型的设计按照重力相似准则进行[4]。考虑葠窝水库原型的水流特点以及相关水工建筑物的集合尺寸，结合试验精度的实际需求，确定水工试验模型的几何比尺为80[5]。结合葠窝水库的实际布置情况，模型的模拟范围为：上游至坝轴线以上480m，横向区溢流坝中心线左右两侧各280m，最高地形模拟至105.00m高程，略高于坝顶高程。下游模拟至大坝坝轴线以下550m，最高地形模拟至65m，两侧留有适当的观测平台。水工试验模型的河床部分利用砖石水泥砂浆砌筑，用1∶2水泥浆抹面，表孔溢洪道用有机玻璃制作[6]。整个模型的高程误差控制在0.30mm以内，水平误差控制在10mm以内[7]。

2.3 模型沙的选择

根据葠窝水库的地质资料，溢流坝段下游的水垫塘基岩的抗冲流速为4～5m/s，下游河道覆盖层的抗冲流速为2～2.50m/s。利用估算抗冲流速的经验公式进行模型沙的粒径计算[8]，并根据计算结果选用粒径为7mm的白云砂作为模型试验中的基岩部分抗冲料，下游河道覆盖层的抗冲料则选用粒径为1.80mm的白云砂。用于抗冲流速模拟计算的经验公式如下：

(1)

式中v——抗冲流速，m/s；

k——系数，m0.5/s；

D——抗冲粒径，mm。

2.4 试验工况

利用葠窝水库的设计和水文资料，设计出如下三个实验工况：工况一为设计洪水工况，对应库水位为98.95m；工况二为校核洪水工况，对应库水位为98.75m；工况三为消能防冲洪水工况，对应库水位为98.50m。

3 原始设计方案试验结果

3.1 溢流坝原始设计方案

葠 窝水库溢流坝段长274.20m，堰顶高程95.80m，设14个溢流表孔，由14扇12m×12m弧形钢闸门控制。溢流堰为WES实用堰，堰面曲线为抛物线，方程为y=0.0537x1.85，堰面后与下游的泄流槽相接，宽度为185.00m，底坡坡度与大坝的下游坡度相同，为1∶0.75，在泄流槽的后部设有挑流鼻坎，其半径为30m，挑角为18.19°。

3.2 原始设计方案试验结果

在设计的三种试验工况下，对溢流坝原始设计方案进行水工模型试验。根据观察和采集的数据可知：溢流坝段的原始设计方案在泄流能力方面完全满足要求，说明溢流坝的堰顶高程以及泄流表孔的尺寸设计是科学、合理的；在工况一和工况二条件下，溢流堰堰顶的部分区域存在负压区，但是负压值不大，不会造成明显的水流空化现象，可以满足溢流坝的安全要求，泄槽段的压力变化和沿程水深变化基本一致，且均为正压，因此堰面曲线与陡坡段的设计是合理的；水库溢流坝段上游库区的水流流态比较平稳，在正常蓄水位条件下上游库区基本为静水区，没有横向水流产生。溢流坝表孔的进水口前水面比较开阔，来流也比较顺畅。受到墩尾体型的影响，下游泄槽内的水流流态较差，出现高度约9m左右的水冠。在泄流表孔全开的情况下，泄槽内出现对称分布的折冲水流，而孔口闸门不对称开放时则表现为不对称折冲水流，造成水流冲击边墙。因此，原设计方案中的闸墩尾部设计不合理，需要进一步的优化。

4 闸墩尾部体型优化

4.1 优化方案一

由于葠窝水库表孔溢洪道中隔墙墩尾下游存在7～8m左右的无水区，下泄水流相交后产生较高的水冠，造成泄槽内的水流流态较差。因此，优化设计过程中在墩尾下游设置由半径为8m的两个半圆弧构成的尖头闸墩，水平长度设计为5.62m，得到优化设计方案一。

经过模型试验，水流会贴着尖头闸墩的圆弧流向下游，但是水冠问题并没有解决，虽然水冠出现在下游且高度有所降低，为7m左右，但泄槽内的水流流态依然较差，需要进一步优化设计。

4.2 优化方案二

由方案一优化试验结果可知：在闸墩的墩尾设计为圆弧面体型能够在一定程度上降低泄槽内的水冠高度，改善水流流态，因此，在方案一优化的基础上，进一步增加尖头闸墩半圆弧的半径，由方案一中的8m增加到10m，使其曲面与下泄水流的流线更为吻合，通过减小水流汇流的夹角，降低泄槽内的水冠高度。为了不影响溢洪道的整体设计，将墩尾末端向上游移动1m，同时在水面线以上部位仍设计为矩形断面。

对优化方案二进行模型试验，结果显示：泄槽内的水冠高度进一步降低至5.50m左右，泄槽内的水流流态进一步改善，由于水冠的落点位于挑流鼻坎的上游，并不会对鼻坎的水舌形态造成明显影响。

4.3 优化方案三

对方案三进行水工模型试验，结果显示：中墩两侧的泄流表孔开度不同时，墩尾下游形成的水翅会向开口小的一侧偏移，三种工况下的水冠落点均在挑流鼻坎的上游，不会对鼻坎的水舌形态造成明显影响。泄槽内形成的水冠高度较低，为3.50m左右，但是厚度较小，同时会左右摇摆，造成泄槽内水花的溅水范围较大，水流形态亦不理想。

4.4 优化方案四

由方案三可知：墩尾流线型变化越大，水流的交汇点就距离墩头末端越远，泄槽内的水流流态就越差，基于上述考虑，试验中将墩头直接设计成长度较小的半圆形，得到优化方案四。

对方案四进行模型试验，结果显示：水流可以在墩头下游3m左右的位置实现交汇，但是受泄槽坡度较大的影响，仍旧产生高度较大的水冠，起落点位于挑流鼻坎上游20m的位置，对挑流鼻坎出流水舌基本没有影响。

4.5 优化方案五

综合上述各个方案的优劣和问题，在方案二的基础上延长中墩的长度，并向下游延长6.2m，使其末端位于掺气挑坎末端，得到优化方案五。

对优化方案五进行模型试验，结果显示：由于隔墩的末端延伸到掺气挑坎的末端，因此，能够有效阻断相邻水流的交汇碰撞，在三种工况下均没有出现水冠。当相邻的泄流表孔开度不同时，泄槽内也没有产生溅水现象，由水冠造成的泄槽内水流流态较差的问题彻底得到解决，因此，将优化设计方案五作为表孔溢洪道重建工程的闸墩下游墩头的推荐方案。

5 结 论

本文以葠窝水库除险加固工程原设计方案为研究起点，通过物理模型试验的方法，对原设计方案下的葠窝水库溢洪道水流水力特征进行研究，得出原设计方案存在的问题以及闸墩尾部体型优化的必要性；针对闸墩尾部体型存在的问题进行优化设计，最终的优化设计方案下泄槽段水冠消失，没有溅水现象，水流平稳，可以作为工程设计的推荐方案。