宜兴横山水库溢洪闸改造设计

【摘要】随时间的流逝，早期建造的很多水库出现了各种各样的险情，除险加固工程近年越来越多，如何在除险加固过程中，找出潜在的危险源，并采用合理经济的方案进行加固是一个十分重要的问题，本工程采用原位拆除重建闸室，并对上游护坦及上下游翼墙进行加固改造，对消能结构通过水工模型试验确定台阶式消能的方式，不仅解决了水库消能问题，而且节省了大量的投资，效益明显。

【关键词】横山水库；溢洪闸；加固改造；台阶式消能。

中图分类号： TV6 文献标识码： A

1 概述

横山水库库容1.12亿m3，属大（2）型水库，是太湖以西地区的三大防洪骨干水库。水库位于江苏省宜兴市西南宜溧太华山区的西渚镇，是一个以防洪、灌溉、供水为主，结合发电、水产养殖和第三产业综合利用的水利枢纽。枢纽工程主要由大坝、溢洪闸、东西两条输水涵洞和两座坝后水电站组成。

溢洪闸始建于1967年，位于横山水库主、副坝交汇处的八字型交接处，闸室轴线与该处坝轴线垂直，为5孔带胸墙的平底板闸，单孔尺寸2.5m×5.0m（宽×高），最大设计流量448m3/s。

溢洪闸建成后运行三十多年，在防洪方面发挥了巨大效益，但由于当时的各种条件限制，工程本身存在着诸多质量上的先天不足，如底板裂缝、消能结构薄弱、闸门运行不灵活、翼墙变位大等问题，严重影响了溢洪闸的正常运行。

2 溢洪闸结构检测及复核结果

经对溢洪闸进行常规混凝土质量检测及病害检查表明，溢洪闸（包括闸室、上下游翼墙以及护坦、陡槽等）整体混凝土质量为一般到很差；闸门、门槽、启闭机病损严重；闸墩保护层实际已经完全丧失；下游陡坡边坡混凝土毁损严重；上下游浆砌石翼墙严重老化、变位；溢洪闸整体质量已经很难满足新的水库运行要求。经对溢洪闸过流能力、整体稳定、地基应力及闸墩应力复核表明，溢洪闸过流能力不足、消能设施损毁严重，闸墩、闸底板的结构强度不满足规范要求。存在较多安全隐患。

3加固改造处理方案

（1）闸室部分

加固改造方案采用原位拆除重建方案，维持原闸轴线不变，闸室过流部分总净宽由16.5m扩宽为18.3m。根据除险加固总体要求，取消非常溢洪道，溢洪闸成为横山水库唯一的泄洪通道，为提高运行灵活性，将现有窄深型的闸孔扩宽，闸孔由5孔改为3孔，单孔宽度6.1m，取消胸墙，将底高程为29.00m的平底堰改为WES实用堰，闸室顺水流方向长度由现在的13m向上游延长至18m。考虑到闸门局部开启灵活、平稳，将平板钢筋混凝土闸门改为弧型钢闸门，闸顶公路桥宽度由现在的4.8m拓宽至7.8m，满足坝顶交通要求。

维持现有上游进口总布置不变，重建两侧部分翼墙，将浆砌石结构改为钢筋混凝土结构；结合下游陡坡改造，拆除并重建下游部分翼墙；闸室启闭机室重建。

（2）上游护坦

根据护坦混凝土质量检测，混凝土护坦质量低劣，需要进行加固补强。结合上游翼墙改造以及闸室底板延长，对混凝土护坦进行拆除重建，混凝土厚度为30cm，混凝土护坦长度维持30m不变，只根据闸底板延长情况向上游推移5m，干砌石护坦改建为钢筋混凝土护坦，长度为23m。

（3）上下游翼墙

为彻底解决上游翼墙靠近闸室段浆砌石挡土墙的变位过大问题，拆除该段，重建混凝土翼墙，采用半重力式挡土墙结构，平面布置采用圆弧形，进水口左右两侧对称布置。墙顶高程从41.9m渐变到38.70m，墙底高程为27.80m，齿墙底面高程25.90m。墙后平台高程仍为38.50m。平台及边坡防渗层维持不变。翼墙其余部分维持现状不变，仍为浆砌石结构。

下游翼墙靠近闸室段原为长20m的扭曲面重力式浆砌石挡土墙，由于闸室重新改造需要，该部分将被挖除。与上游翼墙相同，该段重新改建为混凝土半重力式挡土墙，仍维持在长度20m范围内的扭曲面布置形式，以适应闸室宽度和陡槽改建后宽度的变化和边坡由直立变为斜坡式的过度。翼墙顶部高程从41.90m渐变到29.49m，底部高程从27.80m渐变到25.038m。

（4）陡坡泄槽及消能设施

横山水库溢洪道陡槽坡度约为1：4.5，溢流堰末端到消力池底的高差为19m（水面落差约28m），下泄设计安全流量Q=100～130m3/s，原有的消力池采用底流消能方式。由于地形原因，陡槽中段存在长约15m的平台段，使沿陡槽下泄的水流发生二次折线变化，流态相当紊乱，加之原消力池设计长度不足，消力池消能负担重、消能效果极差，陡槽中段转折部位和消力池多次发生水力破坏。

对于陡槽而言，下泄水流经过陡槽时会产生加速作用，流速不断加大，入池时会产生很大的流速，从而对消力池形成很大的消能负担，在消力池的深度、长度和消力池级数设置合理的情况下，是完全可以解决下泄水流的消能问题，完成与下游水位的平顺衔接。但横山水库原有消力池布置欠合理，深度与长度不匹配，消能效果不佳。由于消力池加固工程投资太大，本次加固设计方案拟采用陡槽台阶式消能技术，期望通过陡槽斜坡段的沿程消能作用，减少消力池本身的负担。

为了掌握溢洪道水力学特性和消能建筑物的安全性，对横山水库溢洪道进行了水工模型试验，试验模型采用整体模型。要求同时对原结构模型和台阶模型进行对比试验，并对台阶尺寸进行试验优化。为了优化陡槽水力条件，对原型方案的陡槽平段进行局部开挖，力求平顺；为了把握试验的量化效果，所有方案水工模型比例均为1：20的大比例模型，同时对试验的材料的糙率也提出了一定要求。模型试验计算参数如下：

Lr=20 Qr=202.5=1788.85

Vr=200.5=4.47 Nr=Lr1/6=1.64

混凝土糙率n=0.014，按相似原理要求模型糙率n=0.0085，选用材料糙率n=0.008，基本满足要求。

水工模型试验表明，溢洪闸的泄流能力满足各种工况的设计要求，详见下表1（原方案泄流能力与终结方案泄流能力相同）。

表1溢洪闸原方案不同上游水位、闸门开度不同时的泄流能力

溢洪闸各方案水流特性见下表2，表2中原建方案为溢洪闸原始方案，原方案为陡槽平顺修改一坡到底改造方案，修改方案1、2均为台阶式优化方案，修改方案3、4为收缩墩方案（仅作为水力验证辅助方案）。试验结果说明，原方案和原建方案的陡槽末端流速分别达到19.3m/s和20.7m/s，台阶方案陡槽末端流速为11.7 m/s～12m/s，说明台阶方案的消能作用明显，消力池的负担减小。

表2 溢洪闸各方案特性比较表

图1是推荐台阶方案沿程流速变化情况，在水库设计洪水条件下（38.75m），陡槽段流速比较平稳，增加不大，说明沿程消能效果明显，陡槽末端流速在10m/s左右，经过消力池消能后，流速下降很快，出池流速很低，约在2 m/s。说明台阶消能后，由于入池流速降低，使得消力池更加匹配，发挥消能效率，达到与下游河道水位的平顺衔接，并满足不冲流速要求。

图1 推荐方案沿程流速变化图

为了研究台阶尺寸对沿程消能的影响，分别按照不同台阶尺寸、不同模型比尺和不同单宽流量进行试验，研究这些因素对沿程消能率的影响，试验结果见表3。试验表明，单宽流量大于20 m3/s*m时，台阶消能率显著下降，说明台阶消能技术的应用有一定条件，单宽流量太大时，陡槽水深太大，底层形成水垫作用，台阶消能作用弱化。单宽流量小于15 m3/s*m时，台阶消能率可以达到60%以上，横山水库在达到设计泄量时（130 m3/s），单宽泄量约9 m3/s*m，非常适宜采用台阶消能技术，陡槽沿程消能率达70%以上。

表3 不同比尺、阶梯高度、单宽与消能率关系

根据试验结果，在任何情况下，溢洪道的流量系数均满足设计要求，设计的溢洪道泄流能力满足水库防洪要求。

台阶方案试验表明，因为台阶原因使水流逐级跌落和参气，沿程不断消能，使得下泄水流沿陡槽加速的现象消失，与原有方案比较，流速减小较多，台阶上流速一般在12m/s左右，甚至小于闸后流速，说明台阶的消能减速作用明显，沿程消能率高，在设计洪水条件下，台阶方案消能率达到70%以上，入池流速可降至11.7m/s，消力池水流相对平稳，减少了消力池的负担，消能效果好，在设计泄量条件下，消力池结构满足安全要求。

4结语

目前，工程已经竣工验收，正常运行多年，期间经受了多次台风洪水的考验，取得显著的工程效益。溢洪道消能设施运行良好，与改造前需经常性的维修相比，取得显著效果。横山水库的供水范围已经覆盖了宜兴市整个辖区，为当地社会经济发展做出很大贡献。