王莉艳　廖　柯　曾　涛

摘要：某水利枢纽工程采用碾压混凝土施工，设有一个泄水底孔坝段，采用通仓、薄层以及与其他坝段联合碾压、连续上升的快速施工方法。针对碾压混凝土的特点，对底孔的结构布置作了初步探讨。比较后选用了有压长管方案，计算分析认为：底孔坝段碾压混凝土结构布置，不影响底孔体型选择和泄流能力，能够满足工程安全运行要求。

关键词：碾压混凝土坝；泄洪底孔；优化

一、引言

某水利枢纽工程是具有不完全多年调节功能的控制性工程，也是引额供水工程中重要的水源工程之一。工程任务是在保证和改善流域社会经济发展和生态环境用水的条件下，向乌鲁木齐经济区供水，并兼顾发电和防洪。工程总库容24.19亿m3，工程等别为Ⅰ等工程，工程规模为大(1)型。主要建筑物有：挡水建筑物（主坝：碾压砼重力坝；1＃和2＃副坝：粘土心墙坝）、泄水建筑物（表孔、中孔、底孔）、发电引水建筑物、厂房。主坝坝顶总长1570m，全坝共分为87个坝段，最大坝高121.50m。主副坝设计烈度为8度，其余建筑物设计烈度均为7度。

由于采用碾压混凝土筑坝技术，为了适应其施工特点，使坝体结构变得简单些，将采用常态混凝土的底孔进口闸门井和通气孔移到上游坝面以外，以便扩大碾压混凝土的施工范围，减少施工干扰，加快施工进度。底孔布置的特点是在碾压混凝土坝内开设大型孔洞，碾压混凝土变柱状浇注为薄层通仓碾压，采用金包银结构，外部为常态混凝土，内部为碾压混凝土。底孔设计中除遵守常态混凝土坝设计原则外，还应针对碾压混凝土特点，进行底孔结构布置，选择优化合理设计。本文针对底孔结构设计遇到的实际问题作初步探讨。

二、结构布置

（一）形式选择

底孔布置于主河床坝段，即在表孔和中孔之间的32#坝段，每个坝段长15m。根据底孔放空水库和向下游供水的要求，确定进口底板高程660m，借鉴已建工程实例，底孔选择了短管进口后接无压明流和坝内有压长管两种方案。短管沿程损失小，泄流能力略大，由于进口体型不连续，洞身明流段流态不易稳定，高流速下易产生空蚀破坏，坝体内开孔较大，特别是启闭设备、交通等均需布置在坝体内，使坝体应力复杂化且安装检修不便；由于坝体采用碾压混凝土筑坝技术，施工场地布置困难，影响施工进度；坝址地处严寒地区，混凝土裂缝问题难以避免。有压长管方案虽然沿程损失较大，但泄流能力能满足设计需求，有压洞身压力与流态较稳定，一般不会出现空蚀破坏；坝内开孔较小，对坝体应力影响较小，工作弧门设在坝后，安装、操作、检修方便，交通顺畅；改善了温度应力条件，可充分利用碾压混凝土的连续施工特点；但有内水压力，易产生渗漏。根据本工程的特点，为方便碾压混凝土的施工，加快施工进度，底孔选用了坝内有压长管方案。

底孔由进口闸门井、洞身段及出口明流段组成，全长88.504m。进水口上缘为一椭圆曲线，方程为X2 / 52+ Y2/(5/3)2＝1,下缘为一平坡，两侧也是椭圆曲线，方程为X2 / 32+ Y2/12＝1,形成三面收缩喇叭口，喇叭口起始断面尺寸b×h=6.0m×6.59m，末尾断面尺寸b×h=4m×5m。进口闸门井部分镶嵌在坝体内，部分在坝体外，突出坝面3.5m。井内设有平板事故闸门，闸门孔口尺寸为4m×5m，采用坝顶移动式门机启闭（与表、中孔共用一台门机）。平板事故闸门采用前止水，且在门后设有φ300mm旁通管。事故闸门门前最大水头83.63m，采用动水关闭，静水开启运行方式。洞身段为矩型断面，宽4.0m，高5.0m，出口上缘设压坡段，压坡段长6m，坡度为1:6，将洞身断面压缩至4m×4m。为便于调节流量，出口设弧形工作门，后接反弧段，由有压流变为无压流。出口挑坎通过模型试验进行了等宽坎及扩散坎的比较。8°扩散角方案出口边墙产生大面积负压，尤其折角处最小压强竟达-10.02m，极易产生空蚀破坏，试验采用6°扩散角后，边墙负压基本消除，底板均为正压。因此，底孔采用扩散连续挑坎，扩散角6°，扩散段长10m，扩散后挑坎宽度为6.682m，为进一步减小空蚀，将扩散角修圆。

（二）水力计算

方案确定后，计算了闸门不同开度条件的水位流量关系、局部水头损失和沿程水头损失，绘制压坡线等，泄流能力达到了设计标准。消能方式的选择比较了挑流消能和底流消能两种，底流消能要求有较高的下游水深，而挑流消能要求下游地质条件好，岩石抗冲性能高，结合本工程的工程地质条件及结构布置形式，考虑下游水深不高等条件，选用连续式挑流消能，并选定挑射角21.397°，反弧半径为31m，挑坎高程为656.886m。

（三）水工模型试验

模型试验成果表明，进水口及洞身均为正压，洞身由于出口压坡作用压强较大，且压强变化均匀，事故闸槽处压强较小，最小压强31.60m，对应空化数1.11，不但满足规范要求，而且远大于其它类似工程门槽初生空化数。另外，通过对减压模型试验中门槽处三条不同真空度的噪声功率谱曲线分析、对比，各工况下三条谱曲线没有什么变化，没有产生空化现象。据上判定，底孔事故门槽发生空蚀破坏的可能性非常小。

（四）掺气设施

底孔最高水头83.63m，出口弧门属于高压闸门。减压模型试验出口“水翅”区当库水位由720.36m提高到校核水位743.61m时，噪声谱的幅值突然增加约 10dB，由此可见，高水位运行时底孔“水翅”区附近可能出现空化初生。因此，底孔出口部位需布设通气设施，进行水流掺气。为了形成完整、稳定、贯通的底侧空腔，试验通过多种方案的比较、优化，最终确定门槽采用突扩突跌式体型，两侧各扩宽0.5m，底部跌坎高1m，后接16.6m长的斜坡段，坡度1:4.581，进气系统为两侧边墙埋管，引至跌坎底部进气，通气孔内径为0.8m。

试验成果表明闸门局开时，各运行水位下均能形成完整的底空腔；闸门全开死水位680m以下，也能形成完整的底空腔；死水位680m至正常蓄水位739m，随着水位的上升底空腔有所减小，空腔高度1.0m～0.4m；各工况下均能形成完整的侧空腔。试验所测得的水流掺气浓度均大于30%，反弧段末端由于反弧离心力的作用，气泡迅速上逸，掺气浓度有所减小，各工况下均大于3%，满足规范要求。

三、结语

通过对底孔体型的试验研究及优化，提出了满足各项运行要求的底孔体型。考虑到底孔水头较大，水力学条件较为恶劣，安全可靠是底孔设计的基本原则，故推荐经过实际运行检验且较为成熟的突扩突跌掺气布置型式。底孔结构设计不仅采用常规的计算方法，还委托科研单位进行了静动力有限元分析计算，并根据本工程的特殊性，考虑了温度应力对结构的影响，计算成果均满足规程规范规定，能够满足工程安全运行要求。

参考文献：

[1]《混凝土重力坝设计规范》.SL319-2005

[2]《泄水建筑物进水口设计》.中国水利水电出版社

[3]《水工混凝土结构设计规范》 SL/T 191-96

[4]《泄水工程与高速水流》.吉林科学技术出版社

作者简介:

王莉艳,女,新疆水利水电勘测设计研究院供水所

廖柯,男,新疆水利水电勘测设计研究院供水所

曾涛,男,新疆阿拉山口生态与供水建设工程管理局