a型驼峰堰在大型水库中的应用

邵红艳

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

黔中水利枢纽工程——平寨水库岸边开敞式溢洪洞为1级建筑物，由引渠段、控制段、收缩段、洞身泄槽段及挑流鼻坎组成，水平总长约976.8 m，溢洪洞按500年一遇洪水设计，5 000年一遇洪水校核。最大下泄流量1 634 m3/s，控制段设置3孔7.0×10(宽×高)的弧形闸门。

1 地形地质条件

平寨水库溢洪洞明挖段(含控制段)位于右岸一冲沟洼地内，地表高程在1 340 m左右，距离岸坡约400 m，出露地层为三叠系永宁镇组第四段T1yn4的白云岩、泥质白云岩和溶塌角砾岩,岩层产状315°∠15°，地形坡度10°～20°，为顺向坡，该段钻孔岩心破碎，多呈砂状、碎块状，其工程地质条件较差。

2 溢流堰设计

2.1 堰型选择

堰(闸)型式可采用开敞式或带胸墙的实用堰、宽顶堰、驼峰堰等，具体应根据地形地质条件、水力条件、运用要求及技术经济指标等综合比较选用。本工程因地质条件较差，不适应建高堰，宜采用低堰，同时本工程下泄流量也较大，堰型的选择需考虑以上两个因素。而驼峰堰是一种堰高很小的复合圆曲线剖面低堰，适用于软弱地基条件，且流量系数也能达到0.4～0.46之间，同时驼峰堰的整体稳定性和断面应力情况较好。根据地质地形条件及泄流要求，黔中水利枢纽工程的溢洪洞选用驼峰堰泄流。

2.2 堰面曲线设计

驼峰堰是一种较好的低堰堰型，适于修建在条件较差的基础上。堰的剖面一般由2～3段圆弧组成，圆弧之间有的还是直线段。但驼峰堰目前还未定型剖面，规范给出两种特定型式，即a型和b型，其特性见表1。

表1中Hd为定型设计水头，对低堰(P1<1.33Hd)可按堰顶最大水头Hmax的65%～85%计算，本工程采用70%。

表1 驼峰堰体型参数表

结合地形地质条件，上游面及堰顶参照规范参数，结合有关工程实例的模型试验观测流量系数最好的体型综合取值，下游衔接采用直线及反弧进行斜坡连接。通过计算，a型流量系数较b型略大一些，所以本工程堰面曲线主要采用a型参数，同时曲线拟定结合地形布置条件作适当调整，选定的曲线见表2，布置见图1。

图1 驼峰堰堰面曲线布置

2.3 泄流能力计算

驼峰堰的泄流能力计算公式：

式中：Q为流量；B为溢流堰总宽；H0为计入行近流速的堰上水头；ε为闸墩侧收缩系数；m为流量系数。

根据采用a型驼峰堰形式，m按下列公式计算：

当P1/H0≤0.24时，m=0.385+0.171(P1/H0)0.657

当P1/H0>0.24时，m=0.414 (P1/H0)-0.065 2

经过计算，流量系数成果见表3。泄量计算成果见表4。

表3 流量系数计算表

表4 溢洪道泄流能力成果表

2.4 水力模型试验

为了论证溢洪洞各组成部分设计的合理性、可靠性进行水力模型试验验证。技施阶段在南京水利科学研究院进行了水力模型试验。在试验中，对设计方案的控制段泄流能力、流态、水面线等水力参数进行了详细的测定。

2.4.1 泄流能力

通过模型试验，测试布置基本合理，体形设计总体上是合理的。但原设计方案由于闸室闸墩的影响，特别是半圆形闸墩墩头距驼峰堰堰顶距离较短的影响，水流流经闸墩后在墩头部位产生强烈的水流绕流作用，闸墩两侧水流凹陷较大，水流收缩剧烈。从驼峰堰起点溢0+000.00至堰顶，由于过流断面缩小，坡比加大水面高程骤然降低，水深减小，形成了较大的水面比降，导致溢洪洞泄流能力不足，控制工况下的泄流量比设计流量约少30%～35%。

为了提高溢洪道泄流能力，在原布置试验基础上进行了溢洪道进口闸墩墩头和墩尾形状及尺寸修改，进口上游闸墩墩头改为长椭圆形墩头，墩尾墩长向上按2∶1逐渐缩短的渐变三角形墩尾。体形修改后，闸墩后水冠高度明显降低，收缩段水流流态改善明显，基本达到预期效果。修改方案不仅改善了水流流态，而且也提高了泄流能力，下泄流量满足工程设计要求。闸墩体型见图2。

图2 闸墩体型

经过对闸墩修改后，控制段水流流态平顺，最大水位时泄流能力略小于设计值，但基本满足设计泄流能力要求，对比见表4。

2.4.2 时均动水压力

试验根据溢洪道体型特征在溢洪道沿流程底板和侧墙均布置了测压管，其中为了更好地考察进口驼峰堰的压力变化规律，在堰上平均布置11个测点(A1-A11)。在闸门全开时测值，见表5、图3。

表5 溢洪道全开泄洪时均动水压力试验值 /kPa

图3 驼峰堰底板压力分布图

从测值分析堰前引水渠水面比降小沿程时均压力降低缓慢，至溢流堰区域压力沿流程降低增快。堰顶(A6)附近出现最小压力，校核水位1 333.52 m，测点A6最小时均动水压力为P=-5.96 kPa；最大压力出现堰起始端2.5 m处(A2)，校核水位1 333.52 m，测点A2最大时均动水压力为P=125.49 kPa。

2.4.3 模型实验结论

从模型实验成果看，堰上水流流态平稳，无明显水面波动，泄流能力满足设计要求，堰上压力也在允许范围内，且控制段脉动压力主能量集中在1～3 Hz 范围的低频区。整体上堰型合理，能满足泄洪要求。

2.5 溢流堰应力计算

溢流堰采用整体式现浇钢筋砼结构，堰体基底应力按材料力学公式计算：

式中:σmaxmin为闸室基底应力的最大值或最小值；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载；∑M为作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向形心轴的力矩；A为闸室基底面的面积；W为闸室基底面对于该底面垂直水流方向形心轴的截面矩。

溢洪洞运行期主要用作泄洪，荷载组合分基本组合及特殊组合两类。其中基本组合考虑正常蓄水位和设计洪水位两种情况，特殊组合考虑校核洪水位情况，主要荷载有堰体及闸门等附件自重、静水压力、扬压力、水重。

基本组合：堰体及闸门等附件自重+静水压力+扬压力+水重

特殊组合：堰体及闸门等附件自重+静水压力+扬压力+水重

该段地基承载力较低，需小于0.35 MPa，经计算驼峰堰体应力满足规范及设计要求，计算成果见表6。

表6 堰体应力计算成果表

从应力计算成果看，驼峰堰应力较好对地基条件差的适应性较强。

3 结 论

随着社会经济的发展，水资源需求进一步加大，水利工程面临着复杂的地质地形条件，工程布置越来越难。驼峰堰是一种较好的低堰堰型，适于修建在条件较差的基础上，经设计及模型实验结果的验证，流量系数在0.4～0.46之间。驼峰堰在大型水库、大流量下也具有一定的适应性。平寨水库已下闸蓄水，经过泄洪期间开敞式溢洪洞运行工况的观测和检查，驼峰堰在溢洪洞中运行情况良好，功能发挥正常，完全满足泄洪运行要求。