新地沟水库溢洪道布置形式和消能参数设计
陈 凯
（新疆昌源水务集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）
拟建的新地沟水库是一座以农业灌溉、防洪和工业供水为主的小（1）型水库，工程等别Ⅳ等，主要建筑物级别4 级，次要建筑物及临时建筑物级别5 级。工程由大坝、导流放水冲砂隧洞、溢洪道等建筑物组成。水库总库容500 万m3，死库容70 万m3，兴利库容345 万m3，防洪库容85 万m3。泄水建筑物消能防冲设计洪水标准20 a一遇，相应洪峰流量32.07 m3/s，主要针对溢洪道布置和消能方案进行分析。
2.1 布置形式设计
2.1.1 溢洪道堰型确定
新地沟水库溢洪道堰型可设计为侧堰和正堰2种形式[1]，2种形式工程量及投资额对比详见表1，最终确定侧堰布置形式。
表1 侧堰和正堰2种布置形式对比
2.1.2 正槽开敞式溢洪道设计
本溢洪道为正槽开敞式，堰顶宽度7.0 m，主要由引渠段、控制段、泄槽段、消能段、出口护坦段组成，总长305 m，结构如图1所示[2]。
图1 溢洪道结构示意
（1）引渠段。引渠段长约21 m，口宽由12 m 渐变至7.0 m，边墙高由3.0 m 渐变至5.8 m，采用C25F200W6钢筋混凝土浇筑，底坡为0。
（2）控制段。控制段长12 m，溢流堰型采用WES实用堰，无闸控制，堰高1.0 m，边墙顶部设置交通桥与坝顶相通。
（3）泄槽段。泄槽段（分一、二段）长154 m，底板宽6 m，厚0.6 m，边墙高7.3～5.0 m。泄槽段根据地形条件，设计纵坡为0.039，采用普通泄槽，首端底高程1 744.50 m，末端底高程1 738.25 m。泄槽末端设5.5 m深的防冲齿墙，采用C20F200毛石混凝土浇筑。齿墙内需设置排水孔，利于排水，以降低消力池底板扬压力，排水孔采用PVC 管材，孔径0.1 m，间距2.0 m，排距2.0 m，共3排，呈梅花形布置，排水管坡度倾向下游。
2.2 泄流能力计算
本溢洪道采用无闸控制，堰型采用WES 实用堰，最高水位（校核洪水位）1 750.8 m，设计洪水位1 749.5 m，堰顶高程1 747.0 m。根据相关规范规定，实用堰泄流能力采用下式计算[3]：
式中：H0为堰前总水头（m）；
m为流量系数；
g为重力加速度（m/s2）；
B为堰宽（m）。
溢洪道泄流计算结果，详见表2。从表2 可知，溢洪道泄流能力满足水库调洪演算要求，设计泄量为38.8 m3/s，校核泄量为93.19 m3/s。
表2 溢洪道泄流能力计算结果
本溢洪道采用底流消能形式，分为传统型和跌坎型2 种[4]。下面，针对这2 种消能形式，采用建立物理模型方式进行对比，确定最优方案。
3.1 物理模型设计
本工程物理模型的水库、溢洪道引渠段采用混凝土砂浆制作，控制段及以后段均采用有机玻璃制作，各参数比例详见表3。
表3 物理模型各参数比例
对于水位和水头，采用精度为0.1 mm 的水位测针测量；
对于动态水压和流速，采用LS-401D 型直读式流速仪测量；
模型流量由量水堰控制[5]。
3.2 2种消能方案试验结果
以水流空化数σ和流速v2 个参数来评价消能效果，其中σ越大表明空化现象越弱，可有效减弱消力池的空蚀破坏，计算公式如下[6]：
式中：h0为来流参考断面压力水头（m）；
ha为大气压力水柱（m）；
hv为水的气化压力水柱（m）；
v0为来流参考断面平均水速（m/s）；
g为重力加速度（m/s2）。
2种方案分别选取了5个参考断面，如图2—3所示。
图2 传统底流消能方式消力池流态和流速（校核泄量下）
3.2.1 传统底流消能结果
（1）当溢洪道处于设计泄量38.8 m3/s时，经计算得消力池的水流空化数σ=0.46，大于临界值0.3，发生空化可能性较小。消能位置处于中部，消能水体稳定，没有产生远驱式水越，消能效果显著。
（2）当溢洪道处于校核泄量93.19 m3/s 时，经计算得消力池的水流空化数σ=0.32，已经接近临界值0.3，极有可能发生空化现象。消力池流态和流速情况，如图2 所示。由图2 可知：①通过泄槽二段进入消力池时，溢0+186.177断面水深h=3.48 m，临底流速vs=18.05 m/s，达到最大值，表面流速ve=4.9 m/s；
②水流进入消力池后，临底流速vs在不断减小，在离开消力池时降至2.5 m/s，而表面流速ve则不断增大，离开消力池时达到5.91 m/s，上下流速差值最大达到11.0 m/s，这会影响消力池水体的稳定性，导致水面波动剧烈，且产生远驱式水跃现象，这是不利现象，只能通过加大消力池长度去解决[7]。
3.2.2 跌坎型底流消能结果
（1）当溢洪道处于设计泄量38.8 m3/s时，经计算得消力池的水流空化数σ=0.52，大于临界值0.3，发生空化可能性较小。消能位置处于中部，消能水体稳定，没有产生远驱式水跃现象，消能效果显著。
（2）当溢洪道处于校核泄量93.19 m3/s 时，经计算得消力池的水流空化数σ=0.41，明显大于临界值0.3，发生空化可能性较小。消力池流态和流速情况，如图3所示。
图3 跌坎型底流消能方式消力池流态和流速（校核泄量下）
由图3 可知：①通过泄槽二段进入消力池时，溢0+186.177断面水深h=4.76 m，临底流速vs=16.62 m/s，达到最大值，表面流速ve=4.9 m/s；
②水流进入消力池后，临底流速vs在不断减小，在离开消力池时降至2.1 m/s，而表面流速ve则呈现先减小后增大现象，且临底与表面流速差值最大为4.39 m/s，相比于传统底流消能方式得到了极大改善，无需加长消力池。
3.3 消力池具体参数设计
根据模拟试验，消力池总长度最小控制在15 m，底宽10 m，池深1.0 m，侧墙高5.0 m，跌坎高度1.3 m，计算公式如下：
式中：Fr为弗劳德数；
θ为挑角（°）；
h为坎上水深（m）。
消力池段为矩形断面钢筋混凝土整体结构，采用C25F200W6 钢筋混凝土浇筑，底板厚度0.8 m，下设10 cm厚C15素混凝土垫层，边壁厚度0.4～1.0 m，消力池段结构分缝长度为10 m。底板后10 m 需设置排水孔，采用PVC 管材，孔径0.1 m，排距2.0 m，间距2.0 m，呈梅花形布置。
经过试验对比可知，传统底流消能方式只能应对设计泄量情况，一旦泄量较大则会导致水面波动和远驱式水跃，对结构稳定性不利，会给下游河岸造成冲刷破坏；
而跌坎型底流消能方式会显著降低临底流速，使池内水流扩散明显，水体流态稳定，消能效果更好，很好保护了尾坎和下游护坦，且不会增加消力池长度，节约了建筑成本。