浅谈水工模型试验在石壁水库溢洪道加固优化设计的应用

黄庆坛

(泉州市石壁水库管理处，福建 泉州 362342)

1 工程概况

石壁水库位于泉州市南安大盈溪上游，建于1955年12月，坝址以上控制流域面积79.6km2，水库总库容6147万m3，设计正常蓄水位62.00m，相应库容为4860万m3，死水位28.11m，多年平均降雨量1623.3mm，多年平均径流量6623.1万m3。水库下游有沈海高速公路、324国道，关系到安海镇、水头镇20多万人口中、6600多hm2的农田安全，是一座以灌溉为主、具有防洪、供水等综合效益的重要中型水库。

2010年，经过安全评价、福建省水利厅安全鉴定，水利部大坝安全管理中心核查，认定水库大坝为“三类坝”。水库工程经过50多年的运行，逐步进入老化状态，加上建设初期设计标准较低、部分枢纽主要建筑物的安全状态已不能满足现行规范的要求，存在隐患或工程问题，急需进行加固改造。2011年3月，泉州市石壁水库管理处委托福建省水利水电勘测设计研究院承担石壁水库除险加固工程设计工作。

2 加固方案

对于溢洪道闸室：在上部闸室拆除时，一并拆除现有的浆砌石溢流面，而后按原有的溢流堰面线型，在堰体上重新浇筑C30钢筋混凝土溢流面，但尾部反弧曲线适当调整，最低高程提高至52.5m，现浇溢流面钢筋混凝土厚0.8m，堰顶高程58.11m。新建闸室分3孔布置，单孔净宽12.0m，溢流总净宽36.0m，中墩厚2.0m，顺水流方向长15.0m；保留的现有边墩采取外包钢筋混凝土加固，厚1.0m。新建闸顶启闭房平面尺寸42.0m×5.0m，单层结构，启闭房地面高程69.2m，内安装3台QH2×150kN型弧门启闭机，用于操作溢洪道闸门的启闭。

对于溢洪道泄槽段：在现有泄槽底板上盖面浇筑一层0.29m厚的C30钢筋混凝土，在现浇底板和基础之间布设系统锚杆拉结，锚杆采用Φ20钢筋砂浆锚杆，长2.5m，锚杆一端锚入基岩，另一端露头与盖面浇筑的混凝土面层钢筋焊接。底板上布置系统排水孔，排水孔孔径7.5cm，孔深入基岩1.0m，采取2.0m×3.0m矩形布置。近闸室下游边墙外包C30混凝土渐变段左岸长16.25m，右岸长16.5m，混凝土厚1.0m-0.6m，贴面混凝土与现有边墙间布设系统锚杆拉结，锚杆采用Φ16钢筋砂浆锚杆，长1.5-2.5m。桩号Z0+082.60以下陡槽边墙采取在迎水面外包C30钢筋混凝土加固，以提高边墙的抗冲能力，外包混凝土厚0.5m，面层配置网状钢筋，墙顶通过压顶混凝土，提高与原有边墙间的整体性；桩号Z0+110.10以下陡槽边墙墙顶戴帽加高0.5-0.8m，加高墙背平台回填砂性土，面层采用M10浆砌方正石护砌，厚0.3m；桩号Z0+187.95-Z0+221.10段边墙结合消力池扩建，采取拆除重建的加固方案，新建边墙采取C30埋石混凝土结构。

对于溢洪道消力池：消力池扩建包括加大池深0.5m，向上游延长消力池长度15m，加高下游雍水槛堰顶高程0.5m。两侧新建边墙采用C30埋石混凝土结构、衡重式挡墙断面，墙身高5.5-11.3m，墙顶高程25.1-30.9m，底板厚0.5m，基础落于开挖后的弱风化基岩上，边墙墙背基坑回填砂性土，墙顶平整1.2-8.25m宽平台，而后修坡1:1.5与现有的岸坡地形衔接，墙背填土平台和坡面采用M10水泥砂浆砌方正石护砌，厚0.6-1.1m，石料利用泄槽边墙拆除的方正石。

3 水工模型提出

省发改委在初步设计批复要求：施工图设计阶段，设计单位应细化溢洪道的设计方案。在组织施工图审查时，与会专家提出，设计单位对于溢洪道的计算，主要是理论计算及数模计算，而石壁水库溢洪道消力池很长、且出口流道呈90°急弯，水流流态极端复杂，数模难以模拟出水流的实际流态，应通过水工模型，检验理论计算，优化溢洪道设计，确保加固后效果。2014年4月，石壁水库管理处委托南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开展溢洪道水工物理模型试验工作。

4 水工模型实施

接到水工模型任务后，2014年9月，南京水利科学研究院完成模型的初步验证试验工作。2014年10月，建设单位组织设计和试验等单位代表，对溢洪道水工物理模型初步试验成果进行研讨，对进一步完善验证试验、优化溢洪道布置与建筑物结构体型、推进优化方案试验等工作提出建议和意见。2014年11月，根据中间成果研讨意见，南京水利科学研究院完成模型试验的后续研究工作。2015年1月，泉州市水利局组织有关单位代表，同时邀请部分专家，对溢洪道水工物理模型试验成果进行验收。验收意见认为由南京水利科学研究院完成的泉州市石壁水库溢洪道水工物理模型试验采用的技术线路正确、模型设计合理、试验方法得当、测试手段先进，符合相关规程规范的规定，资料翔实、成果可信，满足试验技术任务书的要求。至此，溢洪道水工物理模型试验研究工作终结。

通过水工模型，发现以下问题：

1)现有的闸墩体型在尾部容易产生菱形波，试验过程观测到的菱形波影响范围广，水面雍高严重，导致平面上形成了较大的横向水位差，并发展到下游，至消力池前全流段都有分裂发展的小型、多重菱形波，影响了断面内的流速和水深分布。

2)由于两侧边墙收缩影响，50.90m高程平台会在两侧边墙附近形成急流冲击波，尤其在桩号Y0+050.84断面的右侧，有一个约7.0°偏转角，试验发现，在各种工况时，该位置形成的冲击波范围最大，影响最明显；冲击波的存在也导致横向水位和流速差，在与菱形波交汇后，进一步交错叠加，加剧了断面水流的不均匀程度。

3)由于下游壅水槛雍高的影响，在下泄较小流量条件时，消力池内的水跃形态多为淹没水跃，水跃跃前断面大多位于消力池上游1∶4斜坡段内，这样，一方面较大的淹没度降低了水跃消能的效率，另一方面弯道出水槽内水位过高也加大了消力池出口的波浪爬高，对工程安全形成不利影响。

5 加固方案优化

根据模型试验结果，在原设计加固方案基础上，水工模型优化试验主要进行以下几点调整：

1)优化调整泄洪闸中墩墩尾下部结构体型，并在中墩墩尾下游增设一堵高3.0-0.4m，长8.0m，厚度2.0-0.4m的尾翼。

2)泄槽右边墙桩号Y0+035.10至桩号Y0+082.60之间以直线相连，直线轮廓面与现有右边墙立面之间的空腔采用C30钢筋混凝土回填，将原Y0+050.84断面位置近7.0°偏转角调整为近4.0°。

3)取消原设计的下游雍水槛加高培厚方案，并在消力池尾坎断面增设一道高3.0m的消力槛[2]。

根据水工模型试验成果，设计单位重新出设计变更施工图，施工单位于2015年8月施工，2015年11月完工。

6 方案优化效果

石壁水库除险加固工程溢洪道加固项目于2006年1月建成入运行投使用，到现在已经历了4个汛期的考验，溢洪道也经历了2个汛期(2016、2017年)长时间的泄洪和启闭，水库最高蓄水位也达到正常蓄水位62.0m，超过汛限水位61.0m运行有149d，泄洪天数达到136d，最大泄洪量达到40m3/s。但由于总体泄洪量级偏小，不能很好地运证水工模型成效，有待大流量下泄进行检验。

不过通过日常的小流量下泄的运行中，可以发现溢洪道闸室溢流堰下游水流流态的改善。在增设了中墩尾翼进行体型优化后，能大幅消弱菱形波尺寸，降低雍起高度，减小影响区域，明显改善水流流态，取得了很好的成效，达到了除险加固成效，水工模型发挥了重要的作用,为安全运行提供了保障，成果可供工程设计参考采用。