黎志敏，嚴(yán)志康

（中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330029）

1 工程概況及方案布置

1.1 概況設(shè)計(jì)

近年來(lái),鷹潭市總體經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng),為進(jìn)一步惠及人民,解決鷹潭地區(qū)缺水等問題,鷹潭市政府決定在信江支流上游修建樞紐工程。該樞紐工程位于貴溪市文坊鎮(zhèn),羅塘河上游雷家山峽谷段,距貴溪市中心城區(qū)49 km,正常設(shè)計(jì)蓄水位高程為132.00 m,總設(shè)計(jì)庫(kù)容1.09×108m3。該水利樞紐洪水工程是一座具有較大綜合效益的大（2）型水利樞紐工程,主要以供水、灌溉為主,結(jié)合防洪,兼顧水利發(fā)電等。

該水利樞紐工程為Ⅱ等工程,根據(jù)《水利水電等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）[1],永久性的大型建筑物洪水等級(jí)為2 級(jí),砼和大型重力攔水大壩按照國(guó)際相應(yīng)的二級(jí)洪水重現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行工程重現(xiàn)期：洪水工程設(shè)計(jì)100 年,校核1000 年；消能發(fā)電裝置的工程設(shè)計(jì)按照洪水重現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)再之后發(fā)生的工程重現(xiàn)洪水階段一般是50 年。次要的民用建筑物基本等級(jí)為3 級(jí),臨時(shí)性的建筑物基本等級(jí)為4級(jí),根據(jù)其建筑結(jié)構(gòu)整體形狀和建筑型式,根據(jù)其結(jié)構(gòu)型式,確定其洪水標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 砼重力壩方案布置

水庫(kù)的正常蓄水位為132.00 m,設(shè)計(jì)洪水位高程為132.78 m,校核洪水位高程為133.54 m,汛限水位為130.50 m。該工程為砼重力大壩,坐落于峽谷中間,發(fā)電引水系統(tǒng)分別布置于右壩段,采用一管二機(jī)的型式引水,廠房分別布置于右壩段下游側(cè)約180 m處,采用壩后岸邊式的地面清晰廠房的型式,溢流堰分別布置于水道河床中部,采用挑流式的消能型式。

該工程大壩的總壩頂高度約為134.00 m ,大壩的河床施工基面高度約為95.00 m ,最大壩高度約為39.00 m ,最小壩頂寬度約為6.00 m,壩體中心軸線總長(zhǎng)165. 00 m 。壩內(nèi)布置一條橫跨縱向的基礎(chǔ)帷幕式灌漿及地下排水廊道,廊道底板總高程100.50 m ,廊道采用城門洞型,尺寸為2.5 m×3.5 m,在大壩內(nèi)部設(shè)置交通廊道,出口設(shè)置在大壩下游靠岸坡處[2]。壩體典型剖面見圖1。

圖1 壩體典型剖面圖

溢流壩段位于河床的中間部位,長(zhǎng)31.00 m,采用WES實(shí)用堰型,堰頂高程126.00 m,溢流凈寬3（孔）×8.00 m,采用三扇弧形門控制[3]。溢流壩采用挑流消能。在右岸非溢流壩段前設(shè)分層取水口,取水口底板高程106.50 m,孔寬2.0 m,設(shè)攔污柵和四層工作閘門。攔污柵為平面滑動(dòng)式鋼柵,工作閘門為平面定輪鋼閘門,啟閉設(shè)備為卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)[3]。壩頂設(shè)置啟閉閘房,壩身設(shè)管線直徑2.50 m的壓力鋼管,采用一管二機(jī)加備用輸水管線布置。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 原理

模型實(shí)驗(yàn)的基本原理主要是一種通過等比例縮小或者使用等比實(shí)驗(yàn)對(duì)象來(lái)建立一個(gè)模型的分析,對(duì)其中的一個(gè)模型進(jìn)行分析,從而獲得相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以此數(shù)據(jù)作為對(duì)比原型實(shí)體并查找不足。試驗(yàn)對(duì)象是按照一定的比例縮小并與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致的試驗(yàn)構(gòu)件代表,具有與原型相似或基本相同的特征。代表物的受力是通過對(duì)采用原材料相似而制成的與原型相似試驗(yàn)體上施加相同比例的荷載而得到的,從而可以得到與原型結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行工作下相同的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

實(shí)體模型根據(jù)模型相似理論可分為材料、幾何、物理等三種相似,因此模型的分析結(jié)果可推算實(shí)際原型的運(yùn)行工作情況。本次實(shí)驗(yàn)采用彈性模型對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.2 模擬范圍

結(jié)合工程現(xiàn)狀情況,模型模擬范圍為庫(kù)區(qū)至壩軸線以上260 m處；地形至137 m高程,下游河道至壩軸線以下約400 m處；地形至112 m高程,模擬總長(zhǎng)度約660 m。

2.3 設(shè)計(jì)方案

該工程大型溢流堰段主要部分布置在小型大理石拱壩河床中間100 m處,長(zhǎng)31.00 m,溢流壩段主要部分采用WES實(shí)用式溢流堰型,壩體最大溢流高程126.00 m,溢流凈寬3（孔）×8.00 m,溢流壩段主要部分采用大型挑流壩段消能,最大泄流量為1071.00 m3/s。

根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求,模型中的幾何比尺設(shè)計(jì)為40,溢流堰等各類建筑物的模型均按一定比例使用有機(jī)玻璃板進(jìn)行精制,以充分滿足建筑物的水流湍動(dòng)和阻力相似度要求,庫(kù)區(qū)及其河道地形均采用水泥砂漿抹面。模型河道平面尺寸控制精度±5 mm,建筑物尺寸控制精度±0.5 mm,安裝高程誤差小于±0.3 mm[4]。模型平面圖見圖2。

圖2 模型平面圖見圖

模型流量用標(biāo)準(zhǔn)薄壁矩形堰量測(cè)；時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)用測(cè)壓管量測(cè)；流速根據(jù)其大小采用畢托管或旋槳式光電流速流向儀量測(cè)；水流流態(tài)采用直尺量測(cè)、高倍像素相機(jī)拍攝的方法記錄[4]。

2.4 設(shè)計(jì)工況

工況1：校核洪水,庫(kù)水位133.54 m,泄洪流量1071.00 m3/s,下游河道水位109.81 m。

工況2：設(shè)計(jì)洪水,庫(kù)水位132.78 m,下游河道水位108.89 m。

工況3：消能防沖水位,庫(kù)水位132.69 m,下游河道水位108.79 m。

工況4：正常蓄水位,庫(kù)水位132.00 m。

工況5：防汛限制水位,庫(kù)水位130.50 m。

3 溢流堰的結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

3.1 原方案試驗(yàn)分析

利用試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)溢流堰的泄流能力、水流流態(tài)、時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)在原方案情況下進(jìn)行模擬分析。分析表明,在校核洪水工況下,實(shí)測(cè)溢流堰的泄洪流量1071.69 m3/s,比設(shè)計(jì)值（1071 m3/s）略大,泄流能力滿足要求。

溢流堰閘門全開泄洪時(shí),受右側(cè)電站取水口的影響,右邊孔進(jìn)口形成繞流,見圖3 和圖4；左側(cè)受側(cè)收縮的影響而導(dǎo)致水面略有下凹,這種現(xiàn)象隨庫(kù)水位的升高而更為明顯。水流過堰后,在中隔墩后形成較高的水翅,防汛限制水位下尤為明顯,實(shí)測(cè)最大水翅高度為4.0 m（高出水面）,見圖5。

圖3 設(shè)計(jì)洪水水流流態(tài)

圖4 校核洪水水流流態(tài)

圖5 原方案敦后水翅（防洪限制水位130.5 m）

溢流堰閘門全開泄洪時(shí),在設(shè)計(jì)洪水工況下,溢流堰面沒有出現(xiàn)負(fù)壓；校核洪水工況下,溢流堰面局部區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓,實(shí)測(cè)最大負(fù)壓值為0.57 m水柱（按重力相似準(zhǔn)則換算）,沒有超過規(guī)范要求。

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溢流堰的總體布局及其體型設(shè)計(jì)合理,泄流容量和能力均可以滿足要求,但溢流堰右邊孔進(jìn)口前存在回流,邊墩繞流顯著,隔墩后形成水翅。說明溢流堰進(jìn)口及中隔墩墩尾仍存在優(yōu)化的可能性。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在溢流堰右側(cè)邊墩與電站取水口左側(cè)邊墩之間設(shè)置一道導(dǎo)流墻,導(dǎo)流墻體型為1/4 橢圓,為懸掛式,頂高程為134.00 m,底高程為125.00 m,將原方案溢流堰中隔墩的墩尾由半圓型式改為子彈頭型式,并將中隔墩延長(zhǎng)4 m,墩尾為直立式（高出水面）,見圖6。

圖6 修改后的中隔墩墩尾

3.3 優(yōu)化方案分析

庫(kù)區(qū)來(lái)流平順,溢流堰閘門全開泄洪時(shí),右側(cè)增設(shè)了導(dǎo)流墻,原方案中繞流現(xiàn)象消失。

在中隔墩后增加了子彈頭形尾墩,墩后水翅較原方案明顯減小,見圖6,在校核洪水、設(shè)計(jì)洪水和防洪限制水位工況下,實(shí)測(cè)最大水翅高度分別為1.6 m、1.2 m和0.8 m；溢流堰為挑流消能,在各種泄洪工況下,均能形成挑流水舌。

下游河道的流速分布總體上呈現(xiàn)右向左大左小的分布,主流偏向右側(cè),左側(cè)則形成了回流地帶。在校準(zhǔn)備核定洪水、設(shè)計(jì)洪水和消能防沖等特殊情況下,實(shí)測(cè)右岸（扶壁式擋墻）最大流速分別為5.38 m/s、3.53 m/s和3.48 m/s；壩腳處最大回流流速小于0.3 m/s,壩腳不會(huì)受到?jīng)_刷。

在設(shè)計(jì)洪水和消能防沖洪水工況下,溢流堰面未出現(xiàn)負(fù)壓；在校核洪水和設(shè)計(jì)洪水工況（閘門局部開啟）下,溢流堰面的局部區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓,實(shí)測(cè)最大負(fù)壓值為0.57 m水柱（規(guī)范允許值為6 m水柱）；溢流堰面時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布無(wú)異常,溢流堰體型合理。

4 結(jié)論

（1）本工程溢流堰總體布置及設(shè)計(jì)合理,溢流堰進(jìn)口及中隔墩墩尾體型需要進(jìn)一步優(yōu)化；試驗(yàn)中對(duì)原方案體型進(jìn)行了優(yōu)化,在溢流堰右側(cè)增設(shè)導(dǎo)流墻及中隔墩后增加子彈頭形尾墩,試驗(yàn)表明此優(yōu)化方案合理。

（2）在溢流堰右側(cè)增設(shè)導(dǎo)流墻,溢流堰閘門全開泄洪時(shí),原方案中繞流消失,孔內(nèi)水流平穩(wěn)；中隔墩后增加了子彈頭形尾墩,墩后水翅較原方案明顯減小,在防洪限制水位時(shí),墩后水翅由原方案的4.0 m減小至0.8 m。

（3）在設(shè)計(jì)洪水和消能防沖洪水工況下,溢流堰面未出現(xiàn)負(fù)壓；在校核洪水工況下,溢流堰面的局部區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓,但未超過規(guī)范允許值,溢流堰體型設(shè)計(jì)合理。