白虎潭水库大坝设计

白虎潭水库大坝设计

低能耗能是高水头排水建筑物的一般消能方法。在进水口水系统边缘的较低部分，收集鼻沟时，获得以一定角度的水流，然后斜率地在一定角度上加热，然后落入与鼻沟分离的较远的下游水柱，然后通过无序扩散与下游水流相连。但是,挑流消能在河道狭窄、工程地质条件较差的河谷地段,容易造成下游河道冲刷破坏,存在山体滑坡的危险。为解决上述问题,本文结合白虎潭大坝溢洪道工程实际,采用整体模型试验的方法,对溢洪道的挑流消能防冲布置及消能形式进行研究。1大坝坝计算白虎潭水库坝址位于河南省灵宝市南部山区,坝址距灵宝市区15km。水库规划以灌溉和城市供水为主,兼顾乡镇生活、生态用水,并具有一定的防洪作用。水库枢纽建筑物主要包括大坝、排沙洞、供水引水管等组成。白虎潭水库坝址以上控制流域面积116km2,总库容999万m3,水库为小(一)型水库,工程等别为Ⅳ等。白虎潭大坝为碾压混凝土重力坝。大坝由挡水坝段、溢流坝段两部分组成,坝顶长183.5m,共分9个坝段,其中泄流坝段长44.0m,左岸挡水坝段长76.5m,右岸挡水坝段长63.0m。大坝坝顶高程726.3m,坝顶宽6.5m,大坝建基面高程650.0m,最大坝高76.3m。大坝上游坝坡竖直,692.0m高程以下设1∶0.15斜坡,迎水面为二级配碾压混凝土防渗面板,厚度2.0~8.15m。大坝下游坡根据稳定计算成果采用1∶0.78。溢流坝段布置在河床中部的5号和6号坝段(桩号0+076.5~0+120.5之间),坝段长度均为22.0m。溢流堰采用无闸门控制开敞式表孔自由泄流,溢流段净宽42m。溢流面堰顶高程719.5m(正常蓄水位),堰型采用WES型实用堰,实用堰末端接坡度1∶0.78溢流面,尾部670.0高程设反弧挑流鼻坎。溢流段顶部设连接桥连接两岸交通。溢流坝段建基面最低高程650.0m。2缺陷引发的消能防冲白虎潭大坝泄洪时,上下游落差超过70m,500a一遇泄洪流量达1481m3/s。而溢洪道河谷狭窄,且挑坎正对右岸高边坡山体,左侧紧邻上坝公路,要求挑流水舌不对两岸山体产生过大的威胁,尽量减小对下游河道的冲刷,这给消能防冲的设计带来了较大的难度。根据工程的特殊要求,本次模型试验进行了5种方案的试验研究。3工程配置和试验结果3.1计算模型及计算参数依据SL155-95《水工(常规)模型试验规程》,模型按照重力相似准则设计。结合试验场地及仪器设备等条件,确定模型几何比尺为Lr=30。根据地形图范围以及为保证来流及出流的相似性,确定模型上游取至坝上150m左右,下游取至坝下310m。上游库区地形模拟至730.0m高程,全部做成定床;下游河道地形模拟至680m高程,其中消能区两岸做成定床,河床以溢流坝中线为中心线,宽50m的范围内做成动床,动床范围至坝下200m左右,以下河道全部为定床。冲刷区河床基岩裸露,其抗冲流速为7m/s左右。根据依兹巴什公式计算,模型沙的中值粒径为3.33~6.53cm。试验实际选用粒径3~7cm破碎块石作为模型冲刷料。3.2连流鼻坎消能方案为最大限度地减小下游冲刷,溢流面共进行了5个方案的试验研究。方案1为连续式挑流鼻坎消能;方案2为双层差动坎消能;方案3为双层差动坎+收缩式坝面+出口贴角消能;方案4为四层差动坎+台阶式坝面+出口贴角消能;方案5为四层差动坎+台阶式收缩坝面+出口贴角消能。3.2.1鼻坎水舌水舌该方案为原设计方案,即在陡坡段尾部接完全连续反弧挑流鼻坎,反弧曲线半径为15.0m,挑流鼻坎的起点桩号0+36.782m(高程674.87m),最低点桩号0+48.61m(高程为669.095m),出口桩号0+53.74m(高程670m),挑射角为20°,鼻坎体型见图1。模型试验表明,该方案在较小的流量下,鼻坎水舌即能起挑。试验将落水区岸坡做成动床,在水舌的冲击下,落水区岸坡动床部分全部坍塌,河道水面变宽。落水区水气掺混剧烈,下游形成涌浪。由于水舌落水点距下游垭口很近,水流顶冲垭口处右侧山梁后向左岸偏折,形成逆时针回流,对下游冲刷十分严重。设计水位(723.88m)工况(下同),水舌最远挑距70m,落水点位于坝下0+125m断面附近。左岸在回流的淘刷作用下,冲刷范围较大,最深冲至633.5m高程。下游河床最低冲刷点高程634.0m,位于坝下0+135.0m断面,右岸最深冲刷点高程636m,位于坝下0+140.0m断面。由于溢流堰宽42m,而下游河道最大水面宽度不足30m,因此水舌直接冲砸两岸岸坡,造成两岸岸坡岩体的严重冲刷,直接影响两岸上坝道路和引水设施的安全。3.2.2鼻坎体型设计挑流消能工体型优化的常规思路是,尽量使水舌入水面积增大,能量分散,以减小下泄水流对下游河床底部的冲击。一般有3种方式,即横向扩散、纵向拉开、上下分层。结合本工程而言,溢流坝为自由溢流式,泄槽宽度较宽,且大于下游河道水面宽度,只能采用差动式挑流鼻坎将水舌上下分层,使各层水流互相掺混、碰撞,并通过调整每层挑坎的角度,改变各层水股的挑距,使水流在纵向适当拉开。参考混凝土重力坝设计规范,差动式挑坎的上齿坎挑角和下齿坎挑角的差值以5°~10°为宜,上齿宽度和下齿宽度之比宜大于1.0,齿坎高差以1.5m为宜。根据以上规定,试验将溢流坝鼻坎分为两层,下齿坎反弧半径及挑角与原方案相同,齿宽3.0m;上齿坎反弧半径13.5m,挑角27.88°,齿宽除靠近两侧边墙处为3.5m外,其余各坎均为3.4m。修改后的鼻坎体型见图2。试验表明,方案2由于差动鼻坎的作用,出流分成上下两层多股水舌,上层水舌挑距较远,各股水舌横向扩散后相互碰撞;下层水股挑距较近,且与上层水股互相挤压、掺混,水舌掺气充分。水舌总体外缘挑距比原方案略大。设计水位工况,水舌外缘挑距约80m,内缘挑距约55m,落水区纵向范围比原方案约增加了一倍。最远落水点位于坝下0+135m断面附近,最深冲至637.4m高程,下游河床最深冲刷点位于坝下0+145.0m断面,冲坑深度比原方案减小3.4m,位置比原方案略有下移,左岸最深点高程639.0m,比原方案抬高了5.5m,位于坝下0+130.0m断面;右岸最深冲刷点高程639.5m,位于坝下0+150.0m断面。3.2.3溢流坝泄槽两侧水舌改进设计虽然方案2与原方案相比,冲淤情况有较大改善,但水舌宽度仍然与泄槽同宽(42m左右),而下游河道最大水面宽度不足30m,水舌直接冲砸两岸岸坡,岸坡岩体冲刷范围较大,影响岸坡稳定。因此,试验在方案2的基础上,将溢流坝泄槽两侧边墙自1∶0.78斜坡起始断面开始逐渐向内收,至鼻坎末端宽度为35m。同时在鼻坎两侧各增加一个贴角,相应将两侧齿坎略作调整,修改后体型见图3。试验表明,方案3由于贴角的作用,两侧水流向河中偏折,同时挑射高度及距离均比中部水舌增大,整个水舌呈两侧高、中间低的形态。水舌入水宽度25m左右,比方案2大大减小,达到了水舌归槽的目的。设计水位工况,水舌外缘挑距约85m,内缘挑距约60m。最远落水点位于坝下0+145m断面附近,最深冲至634.6m高程,下游最深冲刷点位于0+150m断面右侧山梁处,右岸边冲至635.0m高程,对该处山体稳定极为不利。3.2.4设计进出水工况为了使溢流坝水舌在空间上更分散,落水面积更大,试验在方案2的基础上,保持两侧边墙不变,将鼻坎改为四层差动:第一、二层分别与方案2中上齿、下齿体型相同,第三层反弧半径17.0m,挑角12.065°,第四层反弧半径20.0m,挑角3.405°。同时考虑台阶坝面结合碾压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,又简化了施工工序,节约了工期,已在越来越多的碾压混凝土坝上采用。研究表明,当单宽流量在10~20m3/(s·m)时,台阶式泄槽能取得很好的消能效果,白虎潭溢流坝设计洪水单宽流量17.1m3/(s·m),非常适合采用台阶坝面消能。参考同类工程经验,并结合本工程实际,试验确定溢流坝台阶标准高度为1.2m,相应的台阶步长为0.936m。台阶自WES曲线末端开始,共设32级。另外,为使台阶面充分掺气,在溢流面WES曲线末端加0.3m高的斜坡挑坎,使水流越过前面几级台阶形成空腔,增加进气面积;同时,将中墩延长至台阶起始断面,末端改为平尾墩型式,使水流在墩尾分离,形成进气通道。泄槽采用等宽布置,末端鼻坎仍然采用修改方案4的四层差动式挑坎,为了减少两岸冲刷,将两侧边墙末端向内偏折,并增加一个贴角,将两侧水流导向河中。修改后溢流坝体型见图4。设计水位工况的试验表明,方案4的下游冲刷状况与方案3相比有明显改善。水舌外缘挑距约45m,内缘挑距约30m,下游河床最深冲刷点高程643.3m,比方案3抬高8.7m,相对于原河床冲深6.7m;右岸最深冲刷点高程650.1m,比方案3抬高15.1m。冲坑范围也比方案3减少60%,冲坑体积不到方案3的1/3。冲坑位置整体上移,河中冲坑最深点位置由方案3的0+150m断面上移至坝下0+110m断面,下游垭口处基本不冲。3.2.5齿坎空化空蚀为进一步减轻河道两岸的冲刷,试验仍将泄槽边墙改为逐渐收缩式,至鼻坎末端,宽度缩至36m,出口两侧各增加一个贴角,以减小河道落水宽度。同时,试验对挑流鼻坎进行了修改:修改后差动坎仍分为4层,由两侧向中间逐渐降低,齿宽为4m,考虑顺台阶面的下泄水流已充分掺气,不必担心齿坎空化空蚀问题,因此上下齿之间高差也突破规范上1.5m的限制,各级差动坎间高差分别为2.27,2.34m和2.26m,目的是使每层水舌的落水位置更好地拉开,入水能量更分散。修改后的体型见图5。方案5水舌形状及总体流态与方案4相似,水舌入水宽度较方案4小,水流稍显集中,水舌内缘挑距比方案4近,外缘挑距则比方案4远,水舌拉开程度更好,但对下游河道冲刷范围比方案4大得多,深度也较大。设计水位工况的试验表明,水舌外缘挑距约50m,内缘挑距约25m,下游河床最深冲刷点高程639.0m,比方案4冲深增加了4.3m,两岸深度也增加了5m左右。河床冲坑最深点位于0+115m断面附近。4溢流坝压封消能方案综上所述,设计水位条件下,5个方案的泄洪参数见表1。由表1可以看出:方案1的水舌和流态虽然平稳,但水舌对下游河道及两岸岸坡的冲刷非常严重。方案2将挑坎做成双层差动式,水舌在空中横向扩散后相互碰撞消能,对下游河道的冲刷范围及深度均有所改善,但对两岸冲刷依旧严重。方案3将溢流坝泄槽两侧边墙自1∶0.78斜坡起始断面开始逐渐向内收,并在鼻坎两侧各增加一个贴角,达到了水舌归槽的目的,然而由于水舌收缩后下泄能量相对集中,冲坑深度却明显增加,尤其对右岸山体稳定极为不利。方案4采用了台阶坝面+差动挑坎的消能方式,消能效果非常显著,鼻坎处流速明显降低,水舌挑距变短,下游冲坑范围及深度明显减小,同时,在挑坎出口增加一个贴角,使得水舌归槽,两岸冲刷亦有所改善。方案5在方案4的基础上将泄槽边墙改为逐渐收缩式,同时略微增大差动坎齿坎宽度,出口两侧保留贴角,以进一步减小河道落水宽度,但由于溢流坝水舌纵向拉开的长度有限,横向收缩反而造成水流横向过于集中,冲刷加剧,另外,差动坎齿坎也不宜过大,因为较小的齿宽可以使水流分成更多的水股,利于水舌在空中充分扩散、掺气、碰撞,增加消