周公宅水库拱坝孔洪溢道的介绍

中国水电顾问集团华东勘测设计研究院 殷亮 张伟狄###。

【摘要】周公宅水库为完全年调节水库，校核洪水位下泄流量3106m³/s。泄洪建筑物采用坝顶3孔开敞式溢洪道，通过对三种挑流鼻坎形式的比选、优化，结合水工模型试验，从坝下消能防冲效果、边坡稳定、有利于结构布置等角度分析，最终确定采用连续挑流鼻坎的表孔溢洪道布置型式。

周公宅水库坝址位于浙江省宁波市鄞州区章水镇周公宅村附近，所处流域为甬江奉化江上的支流樟溪。坝址以上控制流域面积132km²主流长30.63km。水库总库容1.12亿m³，调节库容7827万m³，为完全年调节水库，是一座具有供水、防洪结合发电等综合利用的大（Ⅱ）型水利工程。电站装机2×6.3MW，为Ⅱ等中型工程。

枢纽建筑物主要由拦河坝、泄洪及放空（水）建筑物、引水隧洞、地面发电厂房及开关站等组成，其中拦河坝、泄水及放空（水）建筑物、发电引水系统进水口等主要建筑物为2级建筑物，引水隧洞、二道坝等次要建筑物为3级建筑物，发电厂房及临时建筑物为4级建筑物。按500年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核，水库正常蓄水位233.00m，设计洪水位239.57m，校核洪水位239.76m。

消能区冲刷坑位于下游长约170m河床范围，宽40m~60m，该段河床基岩面较平坦，岩性为熔结凝灰岩，致密坚硬，据原勘察结果，岩石风化浅，弱风化岩厚3.80m，岩体完整性差.以下为微风化岩石，岩体完整，抗冲刷能力强。

冲刷坑两岸基础岩性以熔结凝灰岩为主，在近坝附近为蚀变岩，右岸有βμl辉绿岩脉侵入，岩石呈弱~微风化。发育有f7、f10。断层，厚度2cm~15cm，规模小；节理不发育，以中缓倾角为主，多延伸较长。岩体较完整~完整性差，近坝蚀变处局部较破碎，岩体质量较好，无较大不利结构面，基础稳定性好，工程地质条件较好。

周公宅水库的泄洪建筑物为坝顶中部设3孔开敞式溢洪道，挑流消能。溢洪道堰顶高程为226.0m，每孔净宽10.0m，采用3扇10.0m×13.5m弧形钢闸门，液压启闭机启闭。设计下泄流量2650rm³/s，校核下泄流量3106m³/s。

下游消能防冲建筑物按50年一遇洪水设计，相应水位136.97m；为保证大坝安全，按500年一遇洪水进行设计，校核相应水位140.00m；同时对下游消能防冲建筑物按2000年一遇洪水情况进行核算，校核相应水位140.81m。

二道坝设于大坝下游约380m处，为混凝土单心圆单曲等厚拱坝，总长为81.92m。二道坝中部为跌流式溢流堰，宽50m，堰顶高程131.50m，最大堰高19.5m。近坝区水垫塘两岸边坡采用随坡就势的混凝土衬护方式，混凝土厚1.5m。

初拟表孔溢洪道采用WES型实用堰，布置在坝段，堰顶高程为226.0m，每孔净宽10.0m。堰顶上游1/4椭圆曲线方程为：，WES曲线方程为：y=0.07015×x^1.85，定型设计水头10m，WES曲线下游与R=12.0m的反弧鼻坎相接，切角47.09°，挑流鼻坎高程215.89m，挑角20°。溢流堰水平长度27.89m（如图1）。通过水工模型试验观测，该方案泄流能力满足设计要求，但是由于坝下两岸不完全对称，下泄水流冲砸左岸护坡较为严重。

图1 溢流面曲线示意图（初拟方案）###。

为此，将溢洪道中心线沿径向略向右移，与拱坝中心线夹角1.2°，并且WES曲线下游改为接切角20°的直线段，再接R=15.0m的反弧，出口鼻坎高程221.51m，挑角0°，溢流堰水平长度22.00m（如图2）。试验结果表明，泄流能力虽略有减小，但仍满足设计要求；水流基本对称落入河床，两岸冲刷范围明显减小;但各频率洪水的挑距减小了15m~20m，且水舌落点位于河床突出左岸山体上游，出流受到一定影响。

图2 溢流面曲线示意图（修改方案一）###。

设计又比较了差动坎的布置方式，即中间孔底、两边孔高，高低坎高差为0.36m，高坎出口挑角20°，低坎出口挑角10°，溢流堰水平长度25.86m（如图3）。平面上3孔轴线平行布置，以期纵、横向扩大挑流水舌入水面积，并尽可能缩短溢洪道水平长度，以利于结构布置。试验结果显示，水舌出鼻坎后扩散加剧，入水宽度明显增大，水舌砸击两侧岸坡的范围随之扩大，挑距介于前两个方案之间。由于鼻坎上水深较大（＞5m），而差动坎高差仅0.36m，未能出现水舌纵向拉开从而减轻下游冲刷的预期效果。

图3 溢流面曲线示意图（差动坎方案）###。(www.xing528.com)

综合分析前述3个方案，对堰面体型、闸墩形状等进一步优化，最终确定采用连续挑流鼻坎的方案，即平面上3孔溢洪道轴线采用向心布置，控制挑流鼻坎末端向心半径200m，溢洪道中心线与拱坝中心线夹角1.2°。中墩上游宽3.66m，下游宽2.09m；边墩宽2.50m，进口采用半椭圆墩头，长轴为2.0m，短轴为1.0m。堰顶上游1/4椭圆曲线方程为：，WES曲线方程为：

y=0.07444×x^1.85，定型设计水头9.40m。WES曲线下游与R=12.0m的反弧鼻坎相接，切角45.18°，反弧底高程216.80m，挑流鼻坎高程217.52m，挑角20°。溢流面曲线示意图见图4。

图4 溢流面曲线示意图（选定方案）###。

试验结果表明，泄流能力满足设计要求，两边墩墩头附近绕流影响范围明显减小，中墩墩后未出现下挂水帘现象，水流基本对称落入河床，两岸冲刷范围相对减小，各工况下未见明显不利流态出现。溢流堰面上实测最大负压约2.75mH₂O，气穴指数为0.65~1.90，施工中通过严格控制堰面混凝土不平整度可避免发生气蚀破坏，表明堰面体型是合理的。

按堰流公式计算泄流能力.采用《溢洪道设计规范》（DL/T 5166-2002）中开敞式幂曲线实用堰的泄流能力计算公式，计算和模型试验实测成果见表1。

表1 溢洪道过流能力###。

从上表可见，表孔溢洪道的设计泄流能力受下游水位控制，在0」％洪水条件下为限制出流，三孔全开时，各频率洪水的模型试验泄量均大于设计最大泄量，满足设计要求，且闸门的运行具有较大灵活性。

水舌挑距、冲坑深度均按《溢洪道设计规范》（DL/T 5166-2002）中的公式进行计算，计算结果见表2。模型试验成果表明，在设计和校核工况下水流基本无向心作用，水舌入水宽度约40m~45m。水力计算时不考虑向心作用。

表2 挑距和冲坑深度计算成果表###。

可见，计算和模型试验冲坑上游坡比均小于i=l/3，挑距/冲坑深也均大于4，根据冲刷坑的地质条件分析，均不会危及大坝安全。根据模型试验成果，进行了下游水垫塘防护设计，在近坝水流冲刷影响较大的范围两岸均设混凝土护坡保护。

选定方案的模型试验表明，进堰水流较平顺，挑坎末端水翅最大达到226.7m高程。相邻孔水舌在离鼻坎约5m~6m处产生横向搭接，并较为整齐地挑至远离坝脚的位置。水舌入水点上游两侧仍存在有相互反转的回流，但其强度减弱，且冲刷范围明显减少。水流出冲坑后进入河道，主流集中于表面下行，流速逐渐减小，沿程流态逐渐稳定。

表孔溢洪道在设计过程中经过了多次优化，先后调整了泄洪轴线、堰体长度、出口挑角、闸墩体型等等，并通过水工模型试验进行了验证，最终选定的布置型式在各工况下泄流能力均能够满足设计要求，堰面曲线设计合理，挑流水舌对下游的冲刷不大，达到了消能防冲的目的。

周公宅水库拱坝已于2006年5月结顶，目前水库已蓄水投产发电，期望在工程建成第一次泄洪后，抽干水垫塘积水，检查冲坑发展情况，复核审计成果，进一步验证表孔溢洪道设计的合理性。

1.周公宅水库工程整体水工模型试验研究报告，浙江省水利水电河口海岸研究设计院，2002年6月