(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

20世紀(jì)70～80年代，我國(guó)修建了較多的中小型拱壩?，F(xiàn)在因?yàn)橐?guī)范的更新，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不滿足現(xiàn)有規(guī)范要求了，所以很多拱壩都存在泄流能力不足的問題。另外，有一段時(shí)間設(shè)計(jì)界都力求把拱壩做到最薄，盡最大可能減少混凝土方量，這就使得溢流壩段也相當(dāng)?shù)谋?，?dǎo)致溢流壩面真空度過(guò)大，壩面水舌不穩(wěn)定，引起壩體震動(dòng)。

目前針對(duì)拱壩泄洪能力不足的處理方法主要有加高大壩[1-2]、擴(kuò)寬溢流堰[3]、降低堰頂高程[4]、另開溢洪道等。浙江省白水漈水庫(kù)大壩加高了2.2 m，保持原壩頂溢流堰不變，同時(shí)在壩體上游面用C20混凝土加厚，加厚范圍為壩基以上17 m(壩高37.3 m)，增加厚度0.5～2.5 m，以此抬高水庫(kù)水位而增大泄流能力，同時(shí)保證抬高水位后壩體應(yīng)力滿足規(guī)范要求[2]。大嶺山水庫(kù)將原溢流堰寬度由7.6 m擴(kuò)寬至14.6 m，以滿足泄洪能力要求，并設(shè)置錨筋將新澆溢流堰體與老壩連接成整體[3]。

因?yàn)楣皦螇紊肀容^單薄，一般采用挑流消能，下游設(shè)護(hù)坦和二道壩防沖刷。陳大松通過(guò)多年工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了拱壩溢流堰及消能工設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)[5]；李忠等針對(duì)狹窄河床試驗(yàn)了一種新型組合式消能工，把泄水槽側(cè)面的窄縫收縮改進(jìn)為曲面貼角鼻坎的形式，使其適應(yīng)急流在凹岸的流動(dòng)和導(dǎo)向控制，調(diào)整挑射水舌的沖擊、交匯的發(fā)生點(diǎn)[6]。

貴州省紫云縣格八水庫(kù)泄流能力不足，壩頂溢流堰體型過(guò)于窄瘦，使壩水舌不穩(wěn)定，導(dǎo)致泄洪時(shí)壩體振動(dòng)明顯[7]。發(fā)電廠房在大壩下游右岸60 m處，泄流涌浪和霧化水汽容易影響發(fā)電廠房的正常運(yùn)行。針對(duì)該工程改造難度較大的問題，難尋先例。經(jīng)多方比選，最終采用了尖瘦的WES曲線實(shí)用堰、負(fù)挑角的挑流消能、河床護(hù)坦+消力墩等創(chuàng)新性處理措施，完美解決了工程存在的問題，并經(jīng)受住了2014，2017年2次大洪水的考驗(yàn)。

1 工程概況

格八水庫(kù)位于貴州省紫云縣貓營(yíng)河上，1974年建成，大壩為漿砌塊石單曲拱壩，最大壩高33 m。壩頂中部為溢流表孔。原溢流堰頂高程1 152.13 m，溢流段長(zhǎng)40 m，溢流堰前沿凈寬30 m，分6孔，每孔寬5 m，設(shè)5.0 m×3.8 m(寬×高)的平面鋼閘門。溢流堰面頂部曲線為圓弧，半徑2 m，圓心角為80°，圓弧后接1∶0.3陡坡，形成滑雪道泄槽。溢流表孔設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇，相應(yīng)下泄流量693 m3/s。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[8]，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為500 a一遇，相應(yīng)下泄流量880 m3/s，原溢洪道泄洪能力不足。運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)泄量較小時(shí)水舌貼著壩面流動(dòng)，泄量較大時(shí)水舌脫離壩面形成跌流，壩體振動(dòng)明顯。改造前的溢流壩剖面見圖1。

圖1 改造前的溢流堰剖面(單位：m)Fig.1 Sectional drawing of the overflow weir before reformed

根據(jù)水工模型試驗(yàn)[9]，發(fā)現(xiàn)溢流面下泄水舌與壩面之間有大面積不穩(wěn)定空腔，造成壩面水流不穩(wěn)定，呈周期性擺動(dòng)，這在下泄流量小于校核流量時(shí)尤為嚴(yán)重。溢洪道下泄洪水流量在300 ～468 m3/s之間時(shí)，壩面水舌時(shí)而脫離壩面，時(shí)而貼面，壩面水流不穩(wěn)定。當(dāng)水庫(kù)水位上升至1 157.07 m時(shí)，溢洪道下泄流量達(dá)到693 m3/s(原校核洪水流量)，壩面水舌脫離壩面，形成自由跌落水舌，跌落點(diǎn)距壩軸14.5 m。泄洪水舌與壩面之間的不穩(wěn)定空腔是導(dǎo)致壩體振動(dòng)的原因之一，因此需要改造溢流表孔增加泄流能力，并使壩面水舌穩(wěn)定，消除壩體振動(dòng)。

2 溢流堰改造分析

溢流表孔泄流能力計(jì)算公式：

(1)

式中，M為綜合流量系數(shù)，受堰型、閘墩形狀、定型設(shè)計(jì)水頭等因素的影響；B為溢流堰凈寬，m；H0為計(jì)入了流速水頭的堰上水頭，m。

影響M的因素較多，包括閘墩形狀、堰頭形狀、下游水位、上游水深，堰頂水頭等，但對(duì)于曲線型實(shí)用堰，根據(jù)規(guī)范[10]給定的計(jì)算公式分析計(jì)算，M處于1.43～2.19之間，而該溢流堰之M=1.985，調(diào)整M值而增大泄流能力的潛力已經(jīng)不大，最大僅能增加9%。

對(duì)于該工程，由于是已建成的拱壩，受河床寬度和兩岸地形條件的限制，無(wú)法增加溢流寬度B值。

根據(jù)公式(1)計(jì)算，當(dāng)H0每增加1%，則泄流能力將增加1.5%。增加H0的途徑可以有3種：① 加高大壩以壅高水位；② 降低現(xiàn)狀堰頂高程；③ 加高大壩的同時(shí)降低堰頂高程，從而獲得較大的H0值。

經(jīng)計(jì)算，針對(duì)設(shè)計(jì)洪水和校核洪水分別需增加15.7%和38.4%的泄流能力才能滿足要求，而只有增加H0才可能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)工程實(shí)際條件分析，大壩加高1.2 m，水庫(kù)校核洪水位由1 156.54 m抬高至1 157.14 m，抬高了0.6 m，同時(shí)降低堰頂高程0.88 m，最終使得堰上水頭增加了1.48 m，滿足了現(xiàn)行規(guī)范的泄洪能力要求，同時(shí)也使大壩結(jié)構(gòu)調(diào)整最小，最有利于壩體安全。

3 堰型選擇

溢洪道改造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是既要滿足泄洪能力要求[11-12]，還必須保證堰體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。拱壩壩頂溢流堰一般采用曲線型實(shí)用堰，主要的型式有WES堰、克-奧堰、長(zhǎng)研Ⅰ、長(zhǎng)研Ⅱ型實(shí)用堰等，其中WES堰最為常用，因?yàn)樗泄潭ǖ那€方程式，施工放樣、插值等都較為方便?？?奧堰是前人通過(guò)試驗(yàn)研究確定一系列的坐標(biāo)值制成表格，具體應(yīng)用時(shí)用取定的定型設(shè)計(jì)水頭Hd乘以表格中的坐標(biāo)值得到具體工程的堰面曲線坐標(biāo)值。長(zhǎng)研Ⅰ和長(zhǎng)研Ⅱ型實(shí)用堰實(shí)際上是WES堰的改進(jìn)，但在現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范上沒有明確列出。針對(duì)該工程，在設(shè)計(jì)過(guò)程中利用同樣的定型設(shè)計(jì)水頭Hd對(duì)WES堰、克-奧堰和長(zhǎng)研I型堰進(jìn)行了對(duì)比研究。

WES堰頂上游面曲線采用雙圓弧，下游面曲線方程為

(2)

式中，Hd為堰面曲線定型設(shè)計(jì)水頭，m，若上游堰高P≥1.33Hd，取Hd=(0.75～0.95)Hmax，Hmax為校核流量下的堰上水頭，m；x，y分別為原點(diǎn)下游堰頭曲線橫、縱坐標(biāo)，m；k，n為堰面曲線參數(shù)，根據(jù)SL253-2010《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄取值。

對(duì)于格八水庫(kù)，經(jīng)水工模型試驗(yàn)后取Hd=0.65Hmax=3.828 m，堰體上游面鉛直，取k=2.0，n=1.85，經(jīng)變換得曲線方程為y=0.1597x1.85。

克-奧曲線沒有直接的曲線方程[13]，坐標(biāo)見表將以上3種型式的堰面曲線同時(shí)繪于圖上(見圖2)，可以看出在定型設(shè)計(jì)水頭相等的情況下，長(zhǎng)研Ⅰ型體型堰最胖，克-奧堰次之，WES堰體型最瘦。由克-奧曲線坐標(biāo)表可以看出，x坐標(biāo)和y坐標(biāo)取值不具有規(guī)律性，且插值困難，施工放樣時(shí)較為困難。

圖3 溢流堰改造剖面(單位：mm)Fig.3 Sectional drawing of the reormed overflow weir

1。

表1 克-奧曲線坐標(biāo)(Hd=3.828 m)Tab.1 Coordinates of the Ke-Austrian curve with Hd=3.828 m

按自由溢流狀態(tài)進(jìn)行水力計(jì)算，3種堰型的綜合流量系數(shù)見表2。由表2可知，WES堰的綜合流量系數(shù)最小，克奧堰居中，長(zhǎng)研Ⅰ型最大。

綜上所述，WES堰具有體型和施工放樣上的優(yōu)勢(shì)，其余兩種堰型則具有綜合流量系數(shù)方面的優(yōu)勢(shì)。拱壩的溢流堰坐落于壩體之上，壩體較為單薄，為增加堰體的結(jié)構(gòu)安全度，宜將堰體做得盡量瘦，對(duì)于綜合流量系數(shù)的劣勢(shì)，可通過(guò)稍稍降低堰頂高程來(lái)解決，因此在格八水庫(kù)改造中最終選擇了WES實(shí)用堰。

4 挑流鼻坎及消能工處理

格八水庫(kù)大壩下游右岸60 m布置有發(fā)電廠房，一般的挑流消能會(huì)使挑流水舌形成涌浪，沖擊發(fā)電廠房。因此，通過(guò)多次水工模型試驗(yàn)調(diào)整，最終確定為-25°挑角的溢流壩面，既縮短挑距，減弱對(duì)廠房的影響，但又不至于縮得太短，以保證壩腳的防沖安全，同時(shí)使霧化現(xiàn)象較輕，不影響廠房的運(yùn)行。模型試驗(yàn)得出的不同挑角所對(duì)應(yīng)的泄流特性見表3，堰體剖面見圖3。

圖2 Hd相同時(shí)不同堰型堰面曲線Fig.2 WES,Ke-Austrian,Changyan-I type curve with the same Hd

堰型設(shè)計(jì)洪水位時(shí)校核洪水位時(shí)WES堰1.9861.985長(zhǎng)研Ⅰ型堰2.1352.276克奧堰2.1722.243

圖4 消力墩和護(hù)坦平面布置(單位：mm)Fig.4 Plane layout of stilling pile and apron

序號(hào)反弧角/(°)挑角/(°)試驗(yàn)狀態(tài)描述135-20水舌入水點(diǎn)距壩腳10m,下游涌浪影響到壩腳230-25水舌入水點(diǎn)距壩腳14.0m,下游涌浪離壩腳約4.0m325-30水舌入水點(diǎn)距壩腳18.0m,下游涌浪范圍離壩腳較遠(yuǎn)。但是,由于挑距較遠(yuǎn),對(duì)廠房的影響加大了

負(fù)挑角鼻坎形成俯沖式水舌，經(jīng)過(guò)水工模型試驗(yàn)得知，如果僅設(shè)常規(guī)的護(hù)坦，當(dāng)發(fā)生30 a一遇洪水時(shí)，溢流表孔下泄水舌俯沖余浪會(huì)翻越廠房的防洪墻，沖擊發(fā)電廠房，河床沖刷深度為9.5 m；當(dāng)下泄流量達(dá)到校核洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，沖刷坑最大深度為13.52 m，右岸坡下切最大深度為7.56 m。沖坑雖然不影響大壩穩(wěn)定，但影響發(fā)電廠房和河岸防洪墻的穩(wěn)定。

試驗(yàn)過(guò)程中考慮在河床靠近發(fā)電廠房位置設(shè)一個(gè)消力墩，一方面使俯沖水流消去一部分能量，另一方面起導(dǎo)流轉(zhuǎn)向作用，將俯沖水流引向主河道。消力墩后部還留一個(gè)泄水槽，讓翻過(guò)消力墩的水流沿此空間流向下游，徹底消解泄流水舌的涌浪，避免防洪墻和發(fā)電廠房受涌浪沖擊。

設(shè)置消力墩后，下泄流量Q=214 m3/s(5 a一遇洪水)時(shí)下游河床涌浪范圍為0+25～0+40，此時(shí)涌浪離廠房較遠(yuǎn)，未對(duì)廠房的安全運(yùn)行造成任何影響。當(dāng)下泄流量Q=458 m3/s(30 a一遇洪水)時(shí)，下游涌浪的范圍為0+25～0+50，涌浪大部分沿河床下泄，部分涌浪翻過(guò)右岸河道防洪墻，其中一部分向上游回流至壩腳，一部分從廠房后側(cè)流向下游。由于涌浪的影響范圍距離廠房約有20 m，也未對(duì)廠房造成不利的影響。當(dāng)下泄流量Q=529 m3/s(50 a一遇洪水)時(shí)，下游涌浪的范圍為0+25～0+60，離廠房?jī)H有約10 m的距離，部分水流沖擊廠房，但廠區(qū)平臺(tái)上的水深很淺，不會(huì)沖毀廠房。當(dāng)下泄流量Q=849 m3/s(500 a一遇洪水)時(shí)，廠房已在下游涌浪的范圍之內(nèi)，水流直接沖擊廠房，并翻越廠房的房頂，廠房將被全部淹沒沖毀。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)消力墩的再次消能導(dǎo)流，發(fā)電廠房滿足30 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，遭遇50 a一遇洪水時(shí)，廠房部分房間進(jìn)水。

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)水工模型試驗(yàn)的成果將原有河床護(hù)坦加長(zhǎng)了27 m，總長(zhǎng)達(dá)到44 m。護(hù)坦末段設(shè)消力墩，墩高5 m，長(zhǎng)18 m，與河流方向呈144°夾角，使水流方向轉(zhuǎn)彎角度不至于過(guò)陡。消力墩為梯形斷面，頂寬1.6 m，迎水面鉛直，背水面為1∶1斜坡，背面泄水槽寬度為3～10 m。消力墩和護(hù)坦平面布置見圖4，消力墩剖面見圖5。

5 溢洪道改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)原溢流壩段的結(jié)構(gòu)尺寸，拆除改造后溢流堰順?biāo)鞣较虺叽缱兓^大，而原壩體較為單薄，為保證改建的溢流堰體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要對(duì)溢流堰體增加支撐。經(jīng)過(guò)分析和比較[14-15]，最終在下游面將溢流壩段加厚2 m，同時(shí)加厚了兩岸非溢流壩段的壩體，使改造后的溢流堰體獲得穩(wěn)固的支撐，懸挑出拱壩身外的懸臂長(zhǎng)2.643 m，懸臂部分混凝土面積10.75 m2，重43.75 kN，占堰體面積的14%，對(duì)拱壩應(yīng)力影響可忽略不計(jì)[7]。將加厚的壩體混凝土與老壩體結(jié)合面鑿毛并沖洗干凈，設(shè)φ20錨筋，每根長(zhǎng)2.25 m，間距1.5 m，伸入老壩體1.45 m，確保新老壩體能緊密粘結(jié)，并能承受一定的界面拉應(yīng)力。新建溢流堰與拱壩整體結(jié)構(gòu)關(guān)系見圖3。懸臂部分的配筋按圖3所示的懸臂梁計(jì)算，堰上水壓力由水工模型試驗(yàn)測(cè)量得到，由10 kN/m漸變到41.53 kN/m，懸臂自重按鋼筋混凝土重度25 kN計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得最大彎矩M為232.4 kN·m，剪力Q為176 kN，按構(gòu)造配筋即可，實(shí)際按溫度鋼筋配置，縱橫向均為φ16@200 mm。關(guān)于溢流堰的混凝土強(qiáng)度等級(jí)問題，因格八水庫(kù)所在河流泥沙較少，庫(kù)水清澈，溢流堰流速為5～16 m/s，采用C25鋼筋混凝土即可滿足要求。

圖5 消力墩標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位:mm)Fig.5 Standard sectional drawing of the stilling pier

6 結(jié) 語(yǔ)

貴州省格八水庫(kù)拱壩溢流堰的改造技術(shù)難度較大，采用的設(shè)計(jì)方法是經(jīng)驗(yàn)公式+試驗(yàn)調(diào)整，過(guò)程中靈活分析，自由運(yùn)用，最終取得了令人滿意的效果。通過(guò)該工程的成功實(shí)施，可以得出以下結(jié)論和建議。

(1) 拱壩溢流堰體型宜盡量瘦，并能與拱壩結(jié)合為一體，盡量減少對(duì)壩體應(yīng)力的影響。

(2) 拱壩壩頂溢流堰的改建是可以實(shí)現(xiàn)的，但需要堰體具有足夠的支撐和有效的新老壩體結(jié)合措施。

(3) 目前規(guī)范推薦的WES實(shí)用堰定型設(shè)計(jì)水頭Hd的取值范圍為(0.75～0.95)Hmax，實(shí)踐證明可以取得更小，比如該工程取為0.65Hmax，下一步可以通過(guò)更多的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行明確，利于以后的直接應(yīng)用。

(4) 負(fù)挑角的挑流消能工配合護(hù)坦、消力墩或二道壩使用有很多好處，但目前尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，有待進(jìn)一步研究總結(jié)，以期更加方便實(shí)用。