王超逸

（溫州市澤雅水庫管理站，浙江 溫州 325000）

1 工程概況

澤雅水庫位于溫州市甌海區(qū)澤雅鎮(zhèn)林岙村，是一座以供水、防洪為主，兼顧灌溉等綜合效益的中型水庫。現(xiàn)狀澤雅水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、引水隧洞等組成。澤雅水庫樞紐工程平面布置見圖1。水庫大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩[1]，壩頂高程113.77 m，壩頂長度308.00 m，最大壩高78.80 m。溢洪道位于大壩右岸，距右壩肩90.00 m，凈寬36.00 m，為設閘門控制的開敞式正槽河岸溢洪道，控制段堰頂高程101.97 m，控制段分為3孔，單孔凈寬12.00 m，堰頂設3扇弧形閘門控制過流，設計洪水最大下泄流量1 850 m3/s，校核洪水最大下泄2 631 m3/s。

圖1 澤雅水庫樞紐工程平面布置圖

水庫因未設放空設施，水庫泄洪的唯一方式就是通過溢洪道泄洪，調度手段單一，無法有效、及時地放低水位，無法滿足面板檢修、清淤的水位需求，給水庫的應急處置、大壩的安全檢修等運行管理帶來不便。澤雅水庫增設泄水隧洞工程有利于水庫放空維護，保障區(qū)域飲用水安全，防汛調度等綜合利用功能。

澤雅水庫新增放空設施工程由原施工導流洞改建，改建后泄水隧洞由進水口、豎井式檢修閘門井、放空隧洞、出口工作閘門段、消能段組成。進洞口位于左壩肩上游約210.00 m處，底高程53.00 m；出洞口位于左壩肩下游約115.00 m處，底高程43.50 m。泄水隧洞總長405.50 m，其中隧洞段長度為378.50 m。

隧洞汛期水頭高，流速快，流量大，出口處河床地質條件差，河道狹窄且在溢洪道挑流消能沖坑下游，出口消能防沖設施布置受到很大限制[2]。隧洞出口消能防沖問題關系到導流隧洞安全穩(wěn)定運行和下游岸坡的穩(wěn)定，設計方案必須技術上可靠，經濟上合理。

2 設計方案

2.1 挑流消能（方案1）

弧門閘室段緊靠泄洪洞出口布置，閘室長12.00 m，樁號原導0 + 378.00 ～ 0 + 390.00 m，底高程43.50 m。閘門采用露頂式弧形鋼閘門，閘門尺寸為3.20 m×3.20 m。閘室后接挑流消能，挑流消能段順水流方向長度15.00 m，樁號原導0 + 390.00 ～ 0 + 405.00 m，采用矩形斷面，底寬由3.20 m漸變至6.00 m。堰面反弧半徑R = 30.00 m，挑射角為20°，鼻坎高程為45.31 m。底板采用厚1 000 mm的C30HF抗沖磨面層+厚2 000 mm的C25鋼筋混凝土，邊墻采用C30F50混凝土結構。泄水隧洞出口挑流消能縱剖面見圖2。

圖2 泄水隧洞出口挑流消能縱剖面圖

2.2 底流消能（方案2）

弧門出口消能段緊靠泄洪洞出口布置，閘室長15.00 m，底高程43.50 m。底板、頂坎及弧門支撐梁采用C30混凝土。閘門采用露頂式弧形鋼閘門，閘門尺寸為3.20 m×3.20 m，支鉸采用圓柱鉸，支鉸中心高程46.50 m。閘墩厚2.00 m，為C30F50混凝土，出口消能段底板采用厚1 000 mm的C30HF抗沖磨面層+厚2 000 mm的C25鋼筋混凝土。閘室后接消力池底流消能。樁號0 + 393.00 m處設置摻氣槽，樁號原導0 + 393.00 ～ 0 + 413.39 m為渥齊曲線段，曲線方程為y = 0.006 130 5 x2，后接1:4.0斜坡段。擴散段底板采用厚800 mm 的C30HF抗沖磨面層+厚1 500 mm 的C25鋼筋混凝土。樁號原導0 + 425.195 ～ 0 + 475.195 m為消力池水平段，矩形斷面，長50.00 m，池深6.00 m，寬10.00 m。底板高程38.00 m，消力池邊墻考慮超高，邊墻頂高程為53.00 m，消力池內布置3排消力墩作為輔助消能工。消力池段底板采用厚800 mm的C30HF抗沖磨面層+厚1 500 mm的C25鋼筋混凝土，邊墻采用C30F50混凝土結構。泄水隧洞出口底流消能縱剖面見圖3。

圖3 泄水隧洞出口底流消能縱剖面圖

3 水工模型設計與制作

3.1 模型設計

（1）模型設計依據重力相似準則，即弗汝德數(shù)相似準則[3]，按幾何相似正態(tài)模型設計。

（2）根據試驗任務要求，試驗模型幾何比尺Lr =25.00。相應其它比尺見表1。

表1 模型比尺表

3.2 模型制作

（1）試驗模型為泄水隧洞出口消能建筑物結構及其下游部分河道的模擬長度。泄水隧洞出口消能結構模型采用厚10 mm的有機玻璃材料制作，便于觀察和拍攝水流流態(tài)。

（2）模型中采用長×寬×高= 6.80 m×3.00 m×3.00 m的鋼筋混凝土貯水池模擬泄水隧洞的出口水位，試驗設置貯水池貯水，采用循環(huán)供水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)由貯水池、水泵、供水管道及平水箱等構成。貯水池內的水由水泵抽出，經輸水管道注入平水箱，平水箱給模型供水，試驗尾水經回水管道流入貯水池。

在貯水池對應43.50 m高程處連接泄水隧洞的出口消能段。在貯水池內做一道花墻，消除貯水池進水管進水時水流的波動。利用測針和貯水池進水管道電磁流量計控制貯水池水位[4-5]。

（3）河床模擬根據河床地勘資料，確定模型河床粒徑級配及層深。

（4）河道水位采用柵欄控制。

4 水工模型試驗

4.1 試驗工況

（1）水庫水位H = 101.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =256.14 m3/s，下游河道水位42.50 m；

（2）水庫水位H = 97.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =246.74 m3/s，下游河道水位42.20 m；

（3）水庫水位H = 59.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =128.34 m3/s，下游河道水位42.20 m；

4.2 挑流消能試驗

泄水隧洞挑流消能試驗成果與設計值比較見表2。

表2 泄水隧洞挑流消能試驗成果與設計值比較表

泄水隧洞在實際運用中，主要用于水位低于101.97 m時水庫泄流，沖坑形成的主要工況應是以101.97 m以下水庫泄流過程為主。經過不同下泄流量的長時間（模型防水試驗30 h以上）沖刷，最終形成沖坑深9.43 m，沖坑最深點距挑流鼻坎水平距離約42.50 m，沖坑最深處坑面寬約20.00 m。水庫水位H = 101.97 m，泄水隧洞下泄流量Q =256.14 m3/s時挑流消能成果見圖4。

圖4 挑流消能成果圖

4.3 底流消能試驗

（1）在水庫水位101.97 m，泄水隧洞下泄流量為256.14 m3/s時，消力池的躍前水深hc =2.68 m，躍后水深h^′′=10.68 m。設計消力池深度為6.00 m，消力池深度不夠，水躍溢出池外，達不到消能效果，將會對下游河床產生沖刷。

（2）在水庫水位97.97 m，泄水隧洞下泄流量為246.74 m3/s時，消力池的躍前水深hc =2.58 m，躍后水深h^′′ = 10.29 m。消力深度為6.00 m，消力池深度不夠，水躍溢出池外，達不到消能效果，將會對下游河床產生沖刷。

（3）在水庫水位59.97 m，泄水隧洞下泄流量為128.34 m3/s時，消力池的躍前水深hc =1.34 m，躍后水深h^′′ = 5.35 m。消力深度為6.00 m，消力池深度滿足要求。

4.4 方案比較

通過挑流消能模型試驗觀測，挑流消能沖坑最深處距挑流建筑物的距離為42.50 m，沖坑深為9.43 m，其值為沖坑深的4.4倍，根據工程實踐經驗，安全距離宜為坑深的3 ～ 6倍，故沖坑不致危及挑流鼻坎的安全。通過觀測模型試驗，泄水隧洞挑流消能形成的沖坑最遠端離河岸最近距離約14.00 m左右，位于溢洪道形成的沖坑下游約50.00 m，兩者互不干擾。挑流消能對河岸的沖刷影響較小，工程運行初期可以不對河岸進行襯護，可視今后發(fā)展情況而定。

原挑流消能方案的消能段側墻為擴散結構，擴散角θ =6°1′42″。過坎頂后側墻順流向采用直墻結構，相當于在擴散側墻基礎上，向內收縮角θ = 6°1′42″。挑流消能水工模型試驗還顯示若邊墻擴散角在鼻坎末端不作收縮，僅出口挑流水舌形狀有變化，沖坑邊緣最遠端離河岸最近距離約15.20 m左右，位于溢洪道形成的沖坑下游約48.00 m，兩者互不干擾。拋射水舌在平面上的擴散自由發(fā)展，進一步減小入射水股的單寬流量，使得沖坑形狀從上游向下游的擴散性更發(fā)展，降低入射水股對河床的沖刷。

受地形、地質條件的影響，泄水隧洞出口消能若采用底流消能，消能建筑物軸線與下游河道水流方向形成較大夾角，消力池結構幾乎全部建于河床上，攔斷河道，河床上消力池邊墻高出河床4.00 m，既影響溢洪道洪水下泄，消力池的消能效果也不夠好。

5 結 語

通過泄水隧洞出口消能段水工模型試驗的觀測與數(shù)據分析，否定底流消能方案而推薦采用挑流消能的設計方案。泄水隧洞工程完工3 a來運行情況良好，合理的出口消能設計使泄水隧洞在幾次汛期開閘泄水后未發(fā)現(xiàn)堰面氣蝕現(xiàn)象，下游河床也未發(fā)現(xiàn)有嚴重的沖刷，為泄水隧洞運行的安全性與可靠性提供保障。