王莉艷　廖　柯　曾　濤

摘要：某水利樞紐工程采用碾壓混凝土施工，設(shè)有一個(gè)泄水底孔壩段，采用通倉(cāng)、薄層以及與其他壩段聯(lián)合碾壓、連續(xù)上升的快速施工方法。針對(duì)碾壓混凝土的特點(diǎn)，對(duì)底孔的結(jié)構(gòu)布置作了初步探討。比較后選用了有壓長(zhǎng)管方案，計(jì)算分析認(rèn)為：底孔壩段碾壓混凝土結(jié)構(gòu)布置，不影響底孔體型選擇和泄流能力，能夠滿足工程安全運(yùn)行要求。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土壩；泄洪底孔；優(yōu)化

一、引言

某水利樞紐工程是具有不完全多年調(diào)節(jié)功能的控制性工程，也是引額供水工程中重要的水源工程之一。工程任務(wù)是在保證和改善流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境用水的條件下，向?yàn)豸斈君R經(jīng)濟(jì)區(qū)供水，并兼顧發(fā)電和防洪。工程總庫(kù)容24.19億m3，工程等別為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大(1)型。主要建筑物有：擋水建筑物（主壩：碾壓砼重力壩；1＃和2＃副壩：粘土心墻壩）、泄水建筑物（表孔、中孔、底孔）、發(fā)電引水建筑物、廠房。主壩壩頂總長(zhǎng)1570m，全壩共分為87個(gè)壩段，最大壩高121.50m。主副壩設(shè)計(jì)烈度為8度，其余建筑物設(shè)計(jì)烈度均為7度。

由于采用碾壓混凝土筑壩技術(shù)，為了適應(yīng)其施工特點(diǎn)，使壩體結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單些，將采用常態(tài)混凝土的底孔進(jìn)口閘門井和通氣孔移到上游壩面以外，以便擴(kuò)大碾壓混凝土的施工范圍，減少施工干擾，加快施工進(jìn)度。底孔布置的特點(diǎn)是在碾壓混凝土壩內(nèi)開(kāi)設(shè)大型孔洞，碾壓混凝土變柱狀澆注為薄層通倉(cāng)碾壓，采用金包銀結(jié)構(gòu)，外部為常態(tài)混凝土，內(nèi)部為碾壓混凝土。底孔設(shè)計(jì)中除遵守常態(tài)混凝土壩設(shè)計(jì)原則外，還應(yīng)針對(duì)碾壓混凝土特點(diǎn)，進(jìn)行底孔結(jié)構(gòu)布置，選擇優(yōu)化合理設(shè)計(jì)。本文針對(duì)底孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遇到的實(shí)際問(wèn)題作初步探討。

二、結(jié)構(gòu)布置

（一）形式選擇

底孔布置于主河床壩段，即在表孔和中孔之間的32#壩段，每個(gè)壩段長(zhǎng)15m。根據(jù)底孔放空水庫(kù)和向下游供水的要求，確定進(jìn)口底板高程660m，借鑒已建工程實(shí)例，底孔選擇了短管進(jìn)口后接無(wú)壓明流和壩內(nèi)有壓長(zhǎng)管兩種方案。短管沿程損失小，泄流能力略大，由于進(jìn)口體型不連續(xù)，洞身明流段流態(tài)不易穩(wěn)定，高流速下易產(chǎn)生空蝕破壞，壩體內(nèi)開(kāi)孔較大，特別是啟閉設(shè)備、交通等均需布置在壩體內(nèi)，使壩體應(yīng)力復(fù)雜化且安裝檢修不便；由于壩體采用碾壓混凝土筑壩技術(shù)，施工場(chǎng)地布置困難，影響施工進(jìn)度；壩址地處嚴(yán)寒地區(qū)，混凝土裂縫問(wèn)題難以避免。有壓長(zhǎng)管方案雖然沿程損失較大，但泄流能力能滿足設(shè)計(jì)需求，有壓洞身壓力與流態(tài)較穩(wěn)定，一般不會(huì)出現(xiàn)空蝕破壞；壩內(nèi)開(kāi)孔較小，對(duì)壩體應(yīng)力影響較小，工作弧門設(shè)在壩后，安裝、操作、檢修方便，交通順暢；改善了溫度應(yīng)力條件，可充分利用碾壓混凝土的連續(xù)施工特點(diǎn)；但有內(nèi)水壓力，易產(chǎn)生滲漏。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，為方便碾壓混凝土的施工，加快施工進(jìn)度，底孔選用了壩內(nèi)有壓長(zhǎng)管方案。

底孔由進(jìn)口閘門井、洞身段及出口明流段組成，全長(zhǎng)88.504m。進(jìn)水口上緣為一橢圓曲線，方程為X2 / 52+ Y2/(5/3)2＝1,下緣為一平坡，兩側(cè)也是橢圓曲線，方程為X2 / 32+ Y2/12＝1,形成三面收縮喇叭口，喇叭口起始斷面尺寸b×h=6.0m×6.59m，末尾斷面尺寸b×h=4m×5m。進(jìn)口閘門井部分鑲嵌在壩體內(nèi)，部分在壩體外，突出壩面3.5m。井內(nèi)設(shè)有平板事故閘門，閘門孔口尺寸為4m×5m，采用壩頂移動(dòng)式門機(jī)啟閉（與表、中孔共用一臺(tái)門機(jī)）。平板事故閘門采用前止水，且在門后設(shè)有φ300mm旁通管。事故閘門門前最大水頭83.63m，采用動(dòng)水關(guān)閉，靜水開(kāi)啟運(yùn)行方式。洞身段為矩型斷面，寬4.0m，高5.0m，出口上緣設(shè)壓坡段，壓坡段長(zhǎng)6m，坡度為1:6，將洞身斷面壓縮至4m×4m。為便于調(diào)節(jié)流量，出口設(shè)弧形工作門，后接反弧段，由有壓流變?yōu)闊o(wú)壓流。出口挑坎通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行了等寬坎及擴(kuò)散坎的比較。8°擴(kuò)散角方案出口邊墻產(chǎn)生大面積負(fù)壓，尤其折角處最小壓強(qiáng)竟達(dá)-10.02m，極易產(chǎn)生空蝕破壞，試驗(yàn)采用6°擴(kuò)散角后，邊墻負(fù)壓基本消除，底板均為正壓。因此，底孔采用擴(kuò)散連續(xù)挑坎，擴(kuò)散角6°，擴(kuò)散段長(zhǎng)10m，擴(kuò)散后挑坎寬度為6.682m，為進(jìn)一步減小空蝕，將擴(kuò)散角修圓。

（二）水力計(jì)算

方案確定后，計(jì)算了閘門不同開(kāi)度條件的水位流量關(guān)系、局部水頭損失和沿程水頭損失，繪制壓坡線等，泄流能力達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。消能方式的選擇比較了挑流消能和底流消能兩種，底流消能要求有較高的下游水深，而挑流消能要求下游地質(zhì)條件好，巖石抗沖性能高，結(jié)合本工程的工程地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)布置形式，考慮下游水深不高等條件，選用連續(xù)式挑流消能，并選定挑射角21.397°，反弧半徑為31m，挑坎高程為656.886m。

（三）水工模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)成果表明，進(jìn)水口及洞身均為正壓，洞身由于出口壓坡作用壓強(qiáng)較大，且壓強(qiáng)變化均勻，事故閘槽處壓強(qiáng)較小，最小壓強(qiáng)31.60m，對(duì)應(yīng)空化數(shù)1.11，不但滿足規(guī)范要求，而且遠(yuǎn)大于其它類似工程門槽初生空化數(shù)。另外，通過(guò)對(duì)減壓模型試驗(yàn)中門槽處三條不同真空度的噪聲功率譜曲線分析、對(duì)比，各工況下三條譜曲線沒(méi)有什么變化，沒(méi)有產(chǎn)生空化現(xiàn)象。據(jù)上判定，底孔事故門槽發(fā)生空蝕破壞的可能性非常小。

（四）摻氣設(shè)施

底孔最高水頭83.63m，出口弧門屬于高壓閘門。減壓模型試驗(yàn)出口“水翅”區(qū)當(dāng)庫(kù)水位由720.36m提高到校核水位743.61m時(shí)，噪聲譜的幅值突然增加約 10dB，由此可見(jiàn)，高水位運(yùn)行時(shí)底孔“水翅”區(qū)附近可能出現(xiàn)空化初生。因此，底孔出口部位需布設(shè)通氣設(shè)施，進(jìn)行水流摻氣。為了形成完整、穩(wěn)定、貫通的底側(cè)空腔，試驗(yàn)通過(guò)多種方案的比較、優(yōu)化，最終確定門槽采用突擴(kuò)突跌式體型，兩側(cè)各擴(kuò)寬0.5m，底部跌坎高1m，后接16.6m長(zhǎng)的斜坡段，坡度1:4.581，進(jìn)氣系統(tǒng)為兩側(cè)邊墻埋管，引至跌坎底部進(jìn)氣，通氣孔內(nèi)徑為0.8m。

試驗(yàn)成果表明閘門局開(kāi)時(shí)，各運(yùn)行水位下均能形成完整的底空腔；閘門全開(kāi)死水位680m以下，也能形成完整的底空腔；死水位680m至正常蓄水位739m，隨著水位的上升底空腔有所減小，空腔高度1.0m～0.4m；各工況下均能形成完整的側(cè)空腔。試驗(yàn)所測(cè)得的水流摻氣濃度均大于30%，反弧段末端由于反弧離心力的作用，氣泡迅速上逸，摻氣濃度有所減小，各工況下均大于3%，滿足規(guī)范要求。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)底孔體型的試驗(yàn)研究及優(yōu)化，提出了滿足各項(xiàng)運(yùn)行要求的底孔體型?？紤]到底孔水頭較大，水力學(xué)條件較為惡劣，安全可靠是底孔設(shè)計(jì)的基本原則，故推薦經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)且較為成熟的突擴(kuò)突跌摻氣布置型式。底孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅采用常規(guī)的計(jì)算方法，還委托科研單位進(jìn)行了靜動(dòng)力有限元分析計(jì)算，并根據(jù)本工程的特殊性，考慮了溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算成果均滿足規(guī)程規(guī)范規(guī)定，能夠滿足工程安全運(yùn)行要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]《泄水建筑物進(jìn)水口設(shè)計(jì)》.中國(guó)水利水電出版社

[3]《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 SL/T 191-96

[4]《泄水工程與高速水流》.吉林科學(xué)技術(shù)出版社

作者簡(jiǎn)介:

王莉艷,女,新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院供水所

廖柯,男,新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院供水所

曾濤,男,新疆阿拉山口生態(tài)與供水建設(shè)工程管理局