肯尼亚Karimenu II供水项目水库溢洪道设计

2019-06-11吴松宝

山东水利 2019年4期

吴松宝

（上海市政设计研究总院（集团）第六设计院有限公司，安徽合肥 230000）

肯尼亚Karimenu II供水项目坐落于肯尼亚的中心省（Central Province），距首都 Nairobi大约75 km。主要工程内容包括：总库容为2 654万m3的水库，输水管线60.6 km，7万t/d的水厂。工程合同总价为2.359亿美元，项目资金85%为中国贷款，15%为自筹。中国航空技术进出口总公司（AVIC）和上海市政工程设计研究总院（集团）总公司（SMEDI）联合体承接了该供水项目。

1 水库概况

水库正常运用设计洪水标准为100年一遇，入库洪峰流量为290 m3/s；校核洪水标准为最大可能洪水PMF，相应的洪水入库洪峰流量为654 m3/s。溢洪道消能防冲设计洪水标准为30年一遇（P=3.33%），30年一遇洪水入库洪峰流量为215 m3/s，相应出库流量为192 m3/s。大坝枢纽为Ⅲ等工程，溢洪道为3级建筑物。溢洪道位于左坝肩，溢洪道下游消能防冲设施远离大坝，其局部破坏不会影响大坝安全。溢洪道的消能防冲设施的校核洪水标准取可能最大洪水PMF。

2 地形与地质条件分析

溢洪道位于坝左岸岸坡，坡顶高程1 855.70 m，坡脚高程1 806.00 m，地表坡度1∶5.3。地表地层为上更新统坡洪积高液限粉土层，厚5.0～14.0 m，下伏第三系火山角砾岩、熔结凝灰岩，全风化带厚度2.0～20.0 m，强风化带厚度1.5～6.5 m。第三系火成岩（AV）主要由软质的火山角砾岩构成，中下部有软质熔结凝灰岩层。岩体全风化带位于Q3土层下，岩体结构均已破坏，呈土状，该层标准贯入试验经杆长修正后击数为9.9～39.3击，平均击数为19.5击，厚度2.0～20.5 m，土层与混凝土间摩擦系数地质建议值为0.28～0.30；强风化带厚度1.5～6.5 m，弱风化带厚度2.8～7.0 m。

3 溢洪道平面总体布置

溢洪道布置推荐方案为：溢洪道控制段采用平底宽顶堰有闸控制，闸孔净宽度24 m，闸堰顶高程1 852.50 m。溢洪道控制段后接泄槽，根据水流数值模拟分析，及消能方式方案比较，泄槽采用1∶5.0，台阶式消能。泄槽后接消力池，采用底流消能方式。

3．1 闸室后收缩段

溢洪道控制段闸室后的泄槽，用于闸孔出流流态的调整，以便闸孔出流与下游泄槽连接，该段宽度由闸室下游处的26.4m，逐步收缩至20m宽。边墙高度，由7．0m减小到4.50m。

3．2 泄槽

泄槽垂直高差52.0 m，宽度20 m，泄槽采用台阶消能，以控制流速，满足不空蚀要求。泄槽坡度1∶5.0，采用钻孔桩基础。

3．3 消力池段

消力池长度50.0 m，宽度20.0～30.0 m，深度5．0 m，边墙高度11．0 m。经过消能计算和数值模拟，消力池长度、深度满足各工况泄流的消能要求。

3．4 出口段

长度60 m，约等于12倍下游水深。本次河道两岸为土质边坡，挑坎下游岩石抗压强度较低。因此，消力池下游60.0 m范围内出水渠道边坡采用防护石笼护砌。

设计中对以上溢洪道布置及消能方式进行了水工模型试验，并根据试验结果对溢洪道进水闸导墙、泄槽边墙高度进行了修正。溢洪道过流能力、消能效果满足设计要求。

4 水力设计

4.1 控制段泄流能力计算

根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000），闸门全开时，泄流能力按堰流公式计算，计算的水位流量关系成果见表1。

表1中计算溢洪道过流能力与调洪计算采用值比较：相应于同一库水位时的计算最大过流量与调洪计算时的采用值接近。

表1 闸门全开时计算的水位流量关系

4.2 陡坡段水面曲线计算

水面线采用PMF校核工况，水位1 857.72 m，闸门全开计算。推算闸墩末端至消力池之间的陡坡面上的水面曲线，以此确定导水墙的高度。本工程泄槽为台阶式消能，目前无理论公式计算水面线。采用数值模拟计算。采用三维CFD程序（Computational Fluid Dynamics）进行数值模拟，溢洪道壁粗糙度系数取0.013。水面线计算成果见表2。

表2 斜坡水面线

4.3 消力池计算

消力池按下泄流量458 m3/s（PMF）进行消能设计，采用底流消能。自由水跃共轭水深可按《溢洪道设计规范》中公式计算。经计算：跃后水深为9.11 m，水跃长度为55 m，消力池长度为44 m、池深为3.8 m，过坎落差为0.8 m。取消力池池长50 m、池深5 m。

4.4 溢洪道数值模拟计算

为了验证泄水建筑物布置的可行性和合理性，采用三维CFD程序对溢洪道水流进行数值模拟。计算成果见图1、图2，三维分析以PMF工况为例。

图1 流速剖面图（初期工况）

由三维仿真模拟结果：整个泄流过程相对稳定，泄槽流速小于20 m/s。

图2 流速剖面图（泄流稳定后，最大流速18.3 m/s）

5 水工模型实验

本模型按正态模型设计，模型比尺为40。模型试验主要结论：1）设计洪水（校核洪水）控制库水位为 1 855.92 m（1 857.72 m），下游敞泄，实测溢洪道下泄流量为 243.18 m3/s（455.23 m3/s），溢洪道泄流能力满足设计要求。2）流量小于设计流量时，消力池消能效果良好，溢洪道沿程流态良好；流量大于设计流量时，溢洪道台阶段水流流态良好，消力池段水流冲出消力池，偏短。根据规范规定，本工程消能防冲的设计标准为30年一遇洪水，因此，认为消力池结构尺寸满足规范要求。

水流出收缩段后有轻微冲击波产生，冲击波范围约50 m。收缩段末端0+38断面处平均流速为7.70 m/s，第一级泄槽末端0+52断面处平均流速为9.98 m/s，泄槽末端水跃前断面桩号为0+280，平均流速为14.29 m/s，泄槽台阶段消能率为79.5%。PMF工况，泄槽上游水深1.72～1.6 m。溢洪道全程均为正压。