白虎潭水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)

白虎潭水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)

低能耗能是高水頭排水建筑物的一般消能方法。在進(jìn)水口水系統(tǒng)邊緣的較低部分，收集鼻溝時(shí)，獲得以一定角度的水流，然后斜率地在一定角度上加熱，然后落入與鼻溝分離的較遠(yuǎn)的下游水柱，然后通過(guò)無(wú)序擴(kuò)散與下游水流相連。但是,挑流消能在河道狹窄、工程地質(zhì)條件較差的河谷地段,容易造成下游河道沖刷破壞,存在山體滑坡的危險(xiǎn)。為解決上述問(wèn)題,本文結(jié)合白虎潭大壩溢洪道工程實(shí)際,采用整體模型試驗(yàn)的方法,對(duì)溢洪道的挑流消能防沖布置及消能形式進(jìn)行研究。1大壩壩計(jì)算白虎潭水庫(kù)壩址位于河南省靈寶市南部山區(qū),壩址距靈寶市區(qū)15km。水庫(kù)規(guī)劃以灌溉和城市供水為主,兼顧?quán)l(xiāng)鎮(zhèn)生活、生態(tài)用水,并具有一定的防洪作用。水庫(kù)樞紐建筑物主要包括大壩、排沙洞、供水引水管等組成。白虎潭水庫(kù)壩址以上控制流域面積116km2,總庫(kù)容999萬(wàn)m3,水庫(kù)為小(一)型水庫(kù),工程等別為Ⅳ等。白虎潭大壩為碾壓混凝土重力壩。大壩由擋水壩段、溢流壩段兩部分組成,壩頂長(zhǎng)183.5m,共分9個(gè)壩段,其中泄流壩段長(zhǎng)44.0m,左岸擋水壩段長(zhǎng)76.5m,右岸擋水壩段長(zhǎng)63.0m。大壩壩頂高程726.3m,壩頂寬6.5m,大壩建基面高程650.0m,最大壩高76.3m。大壩上游壩坡豎直,692.0m高程以下設(shè)1∶0.15斜坡,迎水面為二級(jí)配碾壓混凝土防滲面板,厚度2.0~8.15m。大壩下游坡根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算成果采用1∶0.78。溢流壩段布置在河床中部的5號(hào)和6號(hào)壩段(樁號(hào)0+076.5~0+120.5之間),壩段長(zhǎng)度均為22.0m。溢流堰采用無(wú)閘門(mén)控制開(kāi)敞式表孔自由泄流,溢流段凈寬42m。溢流面堰頂高程719.5m(正常蓄水位),堰型采用WES型實(shí)用堰,實(shí)用堰末端接坡度1∶0.78溢流面,尾部670.0高程設(shè)反弧挑流鼻坎。溢流段頂部設(shè)連接橋連接兩岸交通。溢流壩段建基面最低高程650.0m。2缺陷引發(fā)的消能防沖白虎潭大壩泄洪時(shí),上下游落差超過(guò)70m,500a一遇泄洪流量達(dá)1481m3/s。而溢洪道河谷狹窄,且挑坎正對(duì)右岸高邊坡山體,左側(cè)緊鄰上壩公路,要求挑流水舌不對(duì)兩岸山體產(chǎn)生過(guò)大的威脅,盡量減小對(duì)下游河道的沖刷,這給消能防沖的設(shè)計(jì)帶來(lái)了較大的難度。根據(jù)工程的特殊要求,本次模型試驗(yàn)進(jìn)行了5種方案的試驗(yàn)研究。3工程配置和試驗(yàn)結(jié)果3.1計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)依據(jù)SL155-95《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》,模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地及儀器設(shè)備等條件,確定模型幾何比尺為L(zhǎng)r=30。根據(jù)地形圖范圍以及為保證來(lái)流及出流的相似性,確定模型上游取至壩上150m左右,下游取至壩下310m。上游庫(kù)區(qū)地形模擬至730.0m高程,全部做成定床;下游河道地形模擬至680m高程,其中消能區(qū)兩岸做成定床,河床以溢流壩中線為中心線,寬50m的范圍內(nèi)做成動(dòng)床,動(dòng)床范圍至壩下200m左右,以下河道全部為定床。沖刷區(qū)河床基巖裸露,其抗沖流速為7m/s左右。根據(jù)依茲巴什公式計(jì)算,模型沙的中值粒徑為3.33~6.53cm。試驗(yàn)實(shí)際選用粒徑3~7cm破碎塊石作為模型沖刷料。3.2連流鼻坎消能方案為最大限度地減小下游沖刷,溢流面共進(jìn)行了5個(gè)方案的試驗(yàn)研究。方案1為連續(xù)式挑流鼻坎消能;方案2為雙層差動(dòng)坎消能;方案3為雙層差動(dòng)坎+收縮式壩面+出口貼角消能;方案4為四層差動(dòng)坎+臺(tái)階式壩面+出口貼角消能;方案5為四層差動(dòng)坎+臺(tái)階式收縮壩面+出口貼角消能。3.2.1鼻坎水舌水舌該方案為原設(shè)計(jì)方案,即在陡坡段尾部接完全連續(xù)反弧挑流鼻坎,反弧曲線半徑為15.0m,挑流鼻坎的起點(diǎn)樁號(hào)0+36.782m(高程674.87m),最低點(diǎn)樁號(hào)0+48.61m(高程為669.095m),出口樁號(hào)0+53.74m(高程670m),挑射角為20°,鼻坎體型見(jiàn)圖1。模型試驗(yàn)表明,該方案在較小的流量下,鼻坎水舌即能起挑。試驗(yàn)將落水區(qū)岸坡做成動(dòng)床,在水舌的沖擊下,落水區(qū)岸坡動(dòng)床部分全部坍塌,河道水面變寬。落水區(qū)水氣摻混劇烈,下游形成涌浪。由于水舌落水點(diǎn)距下游埡口很近,水流頂沖埡口處右側(cè)山梁后向左岸偏折,形成逆時(shí)針回流,對(duì)下游沖刷十分嚴(yán)重。設(shè)計(jì)水位(723.88m)工況(下同),水舌最遠(yuǎn)挑距70m,落水點(diǎn)位于壩下0+125m斷面附近。左岸在回流的淘刷作用下,沖刷范圍較大,最深沖至633.5m高程。下游河床最低沖刷點(diǎn)高程634.0m,位于壩下0+135.0m斷面,右岸最深沖刷點(diǎn)高程636m,位于壩下0+140.0m斷面。由于溢流堰寬42m,而下游河道最大水面寬度不足30m,因此水舌直接沖砸兩岸岸坡,造成兩岸岸坡巖體的嚴(yán)重沖刷,直接影響兩岸上壩道路和引水設(shè)施的安全。3.2.2鼻坎體型設(shè)計(jì)挑流消能工體型優(yōu)化的常規(guī)思路是,盡量使水舌入水面積增大,能量分散,以減小下泄水流對(duì)下游河床底部的沖擊。一般有3種方式,即橫向擴(kuò)散、縱向拉開(kāi)、上下分層。結(jié)合本工程而言,溢流壩為自由溢流式,泄槽寬度較寬,且大于下游河道水面寬度,只能采用差動(dòng)式挑流鼻坎將水舌上下分層,使各層水流互相摻混、碰撞,并通過(guò)調(diào)整每層挑坎的角度,改變各層水股的挑距,使水流在縱向適當(dāng)拉開(kāi)。參考混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范,差動(dòng)式挑坎的上齒坎挑角和下齒坎挑角的差值以5°~10°為宜,上齒寬度和下齒寬度之比宜大于1.0,齒坎高差以1.5m為宜。根據(jù)以上規(guī)定,試驗(yàn)將溢流壩鼻坎分為兩層,下齒坎反弧半徑及挑角與原方案相同,齒寬3.0m;上齒坎反弧半徑13.5m,挑角27.88°,齒寬除靠近兩側(cè)邊墻處為3.5m外,其余各坎均為3.4m。修改后的鼻坎體型見(jiàn)圖2。試驗(yàn)表明,方案2由于差動(dòng)鼻坎的作用,出流分成上下兩層多股水舌,上層水舌挑距較遠(yuǎn),各股水舌橫向擴(kuò)散后相互碰撞;下層水股挑距較近,且與上層水股互相擠壓、摻混,水舌摻氣充分。水舌總體外緣挑距比原方案略大。設(shè)計(jì)水位工況,水舌外緣挑距約80m,內(nèi)緣挑距約55m,落水區(qū)縱向范圍比原方案約增加了一倍。最遠(yuǎn)落水點(diǎn)位于壩下0+135m斷面附近,最深沖至637.4m高程,下游河床最深沖刷點(diǎn)位于壩下0+145.0m斷面,沖坑深度比原方案減小3.4m,位置比原方案略有下移,左岸最深點(diǎn)高程639.0m,比原方案抬高了5.5m,位于壩下0+130.0m斷面;右岸最深沖刷點(diǎn)高程639.5m,位于壩下0+150.0m斷面。3.2.3溢流壩泄槽兩側(cè)水舌改進(jìn)設(shè)計(jì)雖然方案2與原方案相比,沖淤情況有較大改善,但水舌寬度仍然與泄槽同寬(42m左右),而下游河道最大水面寬度不足30m,水舌直接沖砸兩岸岸坡,岸坡巖體沖刷范圍較大,影響岸坡穩(wěn)定。因此,試驗(yàn)在方案2的基礎(chǔ)上,將溢流壩泄槽兩側(cè)邊墻自1∶0.78斜坡起始斷面開(kāi)始逐漸向內(nèi)收,至鼻坎末端寬度為35m。同時(shí)在鼻坎兩側(cè)各增加一個(gè)貼角,相應(yīng)將兩側(cè)齒坎略作調(diào)整,修改后體型見(jiàn)圖3。試驗(yàn)表明,方案3由于貼角的作用,兩側(cè)水流向河中偏折,同時(shí)挑射高度及距離均比中部水舌增大,整個(gè)水舌呈兩側(cè)高、中間低的形態(tài)。水舌入水寬度25m左右,比方案2大大減小,達(dá)到了水舌歸槽的目的。設(shè)計(jì)水位工況,水舌外緣挑距約85m,內(nèi)緣挑距約60m。最遠(yuǎn)落水點(diǎn)位于壩下0+145m斷面附近,最深沖至634.6m高程,下游最深沖刷點(diǎn)位于0+150m斷面右側(cè)山梁處,右岸邊沖至635.0m高程,對(duì)該處山體穩(wěn)定極為不利。3.2.4設(shè)計(jì)進(jìn)出水工況為了使溢流壩水舌在空間上更分散,落水面積更大,試驗(yàn)在方案2的基礎(chǔ)上,保持兩側(cè)邊墻不變,將鼻坎改為四層差動(dòng):第一、二層分別與方案2中上齒、下齒體型相同,第三層反弧半徑17.0m,挑角12.065°,第四層反弧半徑20.0m,挑角3.405°。同時(shí)考慮臺(tái)階壩面結(jié)合碾壓混凝土施工一次成型,不需二次混凝土施工,既增加了泄槽的消能率,又簡(jiǎn)化了施工工序,節(jié)約了工期,已在越來(lái)越多的碾壓混凝土壩上采用。研究表明,當(dāng)單寬流量在10~20m3/(s·m)時(shí),臺(tái)階式泄槽能取得很好的消能效果,白虎潭溢流壩設(shè)計(jì)洪水單寬流量17.1m3/(s·m),非常適合采用臺(tái)階壩面消能。參考同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合本工程實(shí)際,試驗(yàn)確定溢流壩臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)高度為1.2m,相應(yīng)的臺(tái)階步長(zhǎng)為0.936m。臺(tái)階自WES曲線末端開(kāi)始,共設(shè)32級(jí)。另外,為使臺(tái)階面充分摻氣,在溢流面WES曲線末端加0.3m高的斜坡挑坎,使水流越過(guò)前面幾級(jí)臺(tái)階形成空腔,增加進(jìn)氣面積;同時(shí),將中墩延長(zhǎng)至臺(tái)階起始斷面,末端改為平尾墩型式,使水流在墩尾分離,形成進(jìn)氣通道。泄槽采用等寬布置,末端鼻坎仍然采用修改方案4的四層差動(dòng)式挑坎,為了減少兩岸沖刷,將兩側(cè)邊墻末端向內(nèi)偏折,并增加一個(gè)貼角,將兩側(cè)水流導(dǎo)向河中。修改后溢流壩體型見(jiàn)圖4。設(shè)計(jì)水位工況的試驗(yàn)表明,方案4的下游沖刷狀況與方案3相比有明顯改善。水舌外緣挑距約45m,內(nèi)緣挑距約30m,下游河床最深沖刷點(diǎn)高程643.3m,比方案3抬高8.7m,相對(duì)于原河床沖深6.7m;右岸最深沖刷點(diǎn)高程650.1m,比方案3抬高15.1m。沖坑范圍也比方案3減少60%,沖坑體積不到方案3的1/3。沖坑位置整體上移,河中沖坑最深點(diǎn)位置由方案3的0+150m斷面上移至壩下0+110m斷面,下游埡口處基本不沖。3.2.5齒坎空化空蝕為進(jìn)一步減輕河道兩岸的沖刷,試驗(yàn)仍將泄槽邊墻改為逐漸收縮式,至鼻坎末端,寬度縮至36m,出口兩側(cè)各增加一個(gè)貼角,以減小河道落水寬度。同時(shí),試驗(yàn)對(duì)挑流鼻坎進(jìn)行了修改:修改后差動(dòng)坎仍分為4層,由兩側(cè)向中間逐漸降低,齒寬為4m,考慮順臺(tái)階面的下泄水流已充分摻氣,不必?fù)?dān)心齒坎空化空蝕問(wèn)題,因此上下齒之間高差也突破規(guī)范上1.5m的限制,各級(jí)差動(dòng)坎間高差分別為2.27,2.34m和2.26m,目的是使每層水舌的落水位置更好地拉開(kāi),入水能量更分散。修改后的體型見(jiàn)圖5。方案5水舌形狀及總體流態(tài)與方案4相似,水舌入水寬度較方案4小,水流稍顯集中,水舌內(nèi)緣挑距比方案4近,外緣挑距則比方案4遠(yuǎn),水舌拉開(kāi)程度更好,但對(duì)下游河道沖刷范圍比方案4大得多,深度也較大。設(shè)計(jì)水位工況的試驗(yàn)表明,水舌外緣挑距約50m,內(nèi)緣挑距約25m,下游河床最深沖刷點(diǎn)高程639.0m,比方案4沖深增加了4.3m,兩岸深度也增加了5m左右。河床沖坑最深點(diǎn)位于0+115m斷面附近。4溢流壩壓封消能方案綜上所述,設(shè)計(jì)水位條件下,5個(gè)方案的泄洪參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可以看出:方案1的水舌和流態(tài)雖然平穩(wěn),但水舌對(duì)下游河道及兩岸岸坡的沖刷非常嚴(yán)重。方案2將挑坎做成雙層差動(dòng)式,水舌在空中橫向擴(kuò)散后相互碰撞消能,對(duì)下游河道的沖刷范圍及深度均有所改善,但對(duì)兩岸沖刷依舊嚴(yán)重。方案3將溢流壩泄槽兩側(cè)邊墻自1∶0.78斜坡起始斷面開(kāi)始逐漸向內(nèi)收,并在鼻坎兩側(cè)各增加一個(gè)貼角,達(dá)到了水舌歸槽的目的,然而由于水舌收縮后下泄能量相對(duì)集中,沖坑深度卻明顯增加,尤其對(duì)右岸山體穩(wěn)定極為不利。方案4采用了臺(tái)階壩面+差動(dòng)挑坎的消能方式,消能效果非常顯著,鼻坎處流速明顯降低,水舌挑距變短,下游沖坑范圍及深度明顯減小,同時(shí),在挑坎出口增加一個(gè)貼角,使得水舌歸槽,兩岸沖刷亦有所改善。方案5在方案4的基礎(chǔ)上將泄槽邊墻改為逐漸收縮式,同時(shí)略微增大差動(dòng)坎齒坎寬度,出口兩側(cè)保留貼角,以進(jìn)一步減小河道落水寬度,但由于溢流壩水舌縱向拉開(kāi)的長(zhǎng)度有限,橫向收縮反而造成水流橫向過(guò)于集中,沖刷加劇,另外,差動(dòng)坎齒坎也不宜過(guò)大,因?yàn)檩^小的齒寬可以使水流分成更多的水股,利于水舌在空中充分?jǐn)U散、摻氣、碰撞,增加消