洪振國，洪振權(quán)

水庫溢洪道結(jié)構(gòu)及布置設(shè)計(jì)研究

洪振國1，洪振權(quán)2

（1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650021；2.中國水電十四工程局，云南昆明650021）

通過溢洪道布置、型式的比選及結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，溢洪道2條軸線布置開挖邊坡都不大，地質(zhì)條件相同，工程量相近，但右岸埡口方案存在小學(xué)搬遷賠償問題，因此推薦緊靠大壩右岸布置。因本區(qū)徑流面積小、洪水不大、水位對(duì)溢洪道寬度以及隧洞是否參與泄洪敏感性不大，為便于今后對(duì)水庫的運(yùn)行調(diào)度，采用開敞式無閘控制、單獨(dú)泄洪的正常溢洪道能滿足要求。

水庫；溢洪道；結(jié)構(gòu)；布置

溢洪道是水庫樞紐的一個(gè)非常重要的建筑物，溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個(gè)工程造價(jià)。所以，有必要對(duì)溢洪道的結(jié)構(gòu)及布置進(jìn)行深入研究。在水庫工程溢洪道設(shè)計(jì)時(shí)，筆者對(duì)典型中型水庫的段家壩水庫溢洪道分別進(jìn)行布置、結(jié)構(gòu)、水力學(xué)計(jì)算及結(jié)構(gòu)計(jì)算研究。

1　工程概況

段家壩水庫工程主要任務(wù)是向農(nóng)業(yè)灌溉、集鎮(zhèn)和農(nóng)村人畜飲水供水，兼顧工業(yè)供水。水庫總庫容1 360.1萬m3，調(diào)洪庫容157.0萬m3，死庫容42.1萬m3，興利庫容1 161.18萬m3。水庫攔河壩最大壩高56.0 m，建成后可增加灌溉面積2 393.33 hm2，其中平達(dá)片526.67 hm2、勐糯片1 866.67 hm2。水庫向鄉(xiāng)村集鎮(zhèn)和灌溉供水流量為2.254 m3/s，工業(yè)供水流量為0.014 m3/s，生態(tài)供水流量為0.07 m3/s。水庫樞紐建筑物由攔河壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水隧洞組成，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，主要建筑物大壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水隧洞為3級(jí)建筑物，取水壩屬次要建筑物、為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。水庫攔河壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇（P=2％），相應(yīng)的下泄流量為16.9 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇（P=0.1％），相應(yīng)的下泄流量為29.5 m3/s；下游消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇（P=3.33％），相應(yīng)的下泄流量為14.8 m3/s。

2　溢洪道布置

溢洪道的布置根據(jù)地形、地質(zhì)、工程特點(diǎn)、樞紐總體布置、施工及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等綜合因素進(jìn)行全面考慮，由于段家壩水庫壩址區(qū)左岸為向河床方向凸起的厚實(shí)山體，工程地質(zhì)條件較好，有利于輸水隧洞布置，考慮到導(dǎo)流與輸水相結(jié)合，結(jié)合施工時(shí)兩者相互干擾和出口水流為平順入流的實(shí)際，將導(dǎo)流輸水隧洞布置在大壩左岸。同時(shí)，考慮到樞紐總體布置、泄洪消能布置、出口水流與下游河道平順連接及與導(dǎo)流輸水隧洞出口水流歸順，將溢洪道布置在右岸。

溢洪道布置于右岸有2種方案可選擇：方案1布置于右岸埡口，方案2布置于右岸緊靠大壩，下面就2個(gè)方案作比選。

方案1：上壩址右岸有一埡口，埡口距離大壩右岸約165 m，埡口最大高程2 045 m，比壩頂高程高5 m，溢洪道堰頂高程2 037.50 m，最大開挖邊坡高29 m，有利于布置溢洪道。因此，將溢洪道布設(shè)于右岸埡口，其軸線順沖溝走向布置，軸線長289.50 m。但埡口處是當(dāng)?shù)匾凰W(xué)校，若搬遷小學(xué)校則造成當(dāng)?shù)匦『⑸蠈W(xué)困難，加上工程區(qū)地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，附近沒有理想地方建校。

方案2：溢洪道布置于大壩右岸，緊靠大壩，軸線長305.530 m，軸線布置需轉(zhuǎn)彎，但工程占地少，不存在搬遷賠償問題，對(duì)當(dāng)?shù)厝罕娚钣绊戄^小。

一般而言，土石壩大中型水庫溢洪道利用地形選在山埡口布置，段家壩水庫溢洪道2條軸線布置開挖邊坡都不大，地質(zhì)條件相同，工程量相近，但方案1存在小學(xué)搬遷賠償問題，投資較大，因此選用方案2，將溢洪道布置于大壩右岸。

3　溢洪道型式

泄洪建筑物為開敞式溢洪道，由于駝峰堰過流能力大于寬頂堰，工程費(fèi)用較少，所以堰型采用駝峰堰，堰寬B=3、4、5、6、8 m。比較5種駝峰堰堰寬后，擬定下面3種不同調(diào)洪方案進(jìn)行比選。

3.1方案1：溢洪道單獨(dú)泄洪

溢洪道底板高程設(shè)于正常水位2 037.50 m，單獨(dú)泄洪，堰寬3、4、5、6、8 m時(shí)水位相差僅0.11～0.4 m，壩高增加不大，能滿足水庫正常運(yùn)行的需要，既可以保證水庫安全又能減少工程量及投資，選擇堰寬6.0 m。

3.2方案2：溢洪道與隧洞聯(lián)合泄洪

溢洪道底板高程設(shè)于正常水位，與隧洞聯(lián)合泄洪。隧洞閘門不同開度下，溢洪道堰寬6 m時(shí)校核水位為2 039.06 m，與方案1校核水位相差僅0.32 m；設(shè)計(jì)水位為2 038.44 m，與方案1設(shè)計(jì)水位相差僅0.34 m，壩高減少0.32 m?？紤]到隧洞永久運(yùn)行為無壓，隧洞最大過流流量12 m3/s，隧洞工作閘門開啟e/a=0.7，隧洞功能則增加導(dǎo)流、泄洪、輸水3種，不便于水庫運(yùn)行調(diào)度。

3.3方案3：溢洪道與隧洞聯(lián)合泄洪

溢洪道底板高程設(shè)于設(shè)計(jì)洪水位高程，與隧洞聯(lián)合泄洪。隧洞閘門不同開度下，溢洪道堰寬6 m時(shí)校核水位為2 039.44 m，與方案1校核水位相差僅0.04 m；特殊工況下，隧洞不參與泄洪，溢洪道堰寬6 m時(shí)校核水位為2 039.93 m，比方案1校核水位僅高0.53 m。

因本區(qū)徑流面積小、洪水不大，通過不同方案組合，水位對(duì)溢洪道寬度以及隧洞是否參與泄洪敏感性不大，為便于今后對(duì)水庫的運(yùn)行調(diào)度，采用方案1。溢洪道型式選擇開敞式無閘控制，堰寬選取6.0 m。溢洪道選用單獨(dú)泄洪的正常溢洪道能滿足要求，導(dǎo)流輸水隧洞設(shè)為單一的輸水功能。

4　溢洪道結(jié)構(gòu)

溢洪道布置于右岸，其進(jìn)口形狀做成喇叭口，使引流平順，減小損失。溢洪道為無閘控制開敞式，控制段堰型為駝峰堰，堰寬6 m，堰頂高程2 037.50 m。溢洪道由引渠段、控制段、泄槽段、消力池段及出口護(hù)坦段組成，全長305.53 m，采用消力池消能。

根據(jù)調(diào)洪結(jié)果，校核洪水時(shí)溢洪道下泄流量為29.5 m3/s，設(shè)計(jì)洪水下泄流量為16.9 m3/s，消能防沖30年一遇洪水下泄流量為14.8 m3/s。

溢0-042.000—溢0+000.00為引渠段，寬度B= 10～6.0 m，底坡i=0，底板高程2 037.000 m。其中，溢0-020.944—溢0+000.000長20.944 m，為平面轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑R=40 m，θ1=30°，進(jìn)口段為U形整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

溢0+000.00—溢0+012.00為駝峰堰段，高0.5 m，長12.0 m，底寬B=6.0 m，為矩形斷面，采用C25鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，底坡i=0。

溢0+012.00—溢0+089.887為泄槽Ⅰ段，長77.887 m，溢0+012.00—溢0+020.00上部設(shè)有寬8.0 m、跨度6.0 m的交通橋與壩頂公路連接，交通橋后溢洪道寬度由6.0 m漸變?yōu)?.0 m，采用矩形斷面，采用C25鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，底坡i=0.02。其中，溢0+072.433—溢0+089.887段長17.444 m，為平面轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑R=40 m，θ1=25°。溢0+089.887—溢0+177.238為泄槽Ⅱ段，底寬B=4.0 m，為矩形斷面，采用C30鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，泄槽邊墻高1.8 m，底坡i=0.625。泄槽底板從溢0+032.00后下設(shè)縱、橫向排水溝。

溢0+177.238—溢0+199.238為消力池段，由于段家壩水庫溢洪道水頭較低、泄流量較小，加上消力池段地形平緩，所以采用底流式消能。消力池長22 m，底寬4.0 m，池深1.5 m，底板高程1 984.193 m，為矩形斷面，采用C25鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)。消力池底板下設(shè)置排水孔，底部鋪設(shè)砂碎石反濾層。

溢0+199.238—溢0+263.530為出水渠段，其中溢0+199.238—溢0+219.238段為矩形斷面，采用C25鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，底坡i=0.001，邊墻高5.9 m；溢0+219.238—溢0+263.530出口護(hù)坦段為矩形斷面，采用M7.5漿砌石護(hù)砌，溢洪道出口水流與河道平順連接。

每條沖溝處設(shè)漿砌石擋墻，將區(qū)間水?dāng)r截引入排水溝排至下游河道。

溢洪道引渠段、控制段、泄槽Ⅰ段及收縮段混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍等級(jí)為C25W6F50，拋物線段及泄槽Ⅱ段、挑流段混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍等級(jí)為C30W6F50。

5　水力學(xué)設(shè)計(jì)

5.1泄流復(fù)核計(jì)算

溢洪道堰頂高程為2037.50m，堰頂寬度為6.0m，起調(diào)水位為正常庫水位2 037.50 m。駝峰堰自由溢流的流量計(jì)算公式為：

式中：Q為下泄流量（m3/s）；B為溢流堰總凈寬（m），取B=6 m；g為重力加速度（m/s2）；H0為計(jì)入流速水頭的堰上總水頭（m），H0≈H；m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)。

表1　溢洪道泄流量計(jì)算成果

由表1可知，溢洪道下泄流量滿足調(diào)洪要求。

5.2泄槽段水面線計(jì)算

泄槽水面線根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：ΔL1-2為分段長度（m）；α1，α2為流速不均勻分布系數(shù)，取1.05；h1，h2為分段始、末斷面水深（m）；v1，v2為分段始、末斷面平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；為分段內(nèi)平均摩阻坡降；為分段內(nèi)的平均流速（m/s）；為分段內(nèi)水力半徑平均值（m）；θ為泄槽底坡角度（°）；i為泄槽底坡；n為泄槽槽身糙率系數(shù)。泄槽段校核工況水深、流速沿程分布情況，見表2。

表2　泄槽段校核工況水深、流速沿程分布

5.3水流摻氣水深計(jì)算

水流摻氣水深計(jì)算公式為：

式中：h，hb為泄槽計(jì)算斷面的水深及摻氣后的水深（m）；v為不摻氣情況下泄槽計(jì)算斷面的流速（m/s）；ζ為修正系數(shù)，取ζ=1.0～1.4，流速大者取大值。

經(jīng)計(jì)算，結(jié)果如下：泄槽邊墻高度由校核工況（P=0.1％）摻氣水深+超高（0.5～1.5 m）確定，則溢0+012.00—溢0+089.887泄槽Ⅰ段邊墻高為2.5 m，溢0+089.887—溢0+177.238泄槽Ⅱ段邊墻高為1.8m。

5.4消能計(jì)算

采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2000）計(jì)算公式，擬采用等寬矩形斷面挖深式消力池消能。

池深計(jì)算公式為：

式中：d為消力池池深（m）；σ為水躍淹沒度，取σ= 1.05～1.10；h2為池中發(fā)生臨界水躍時(shí)的躍后水深（m）；ht為下游水深（m）；ΔZ為消力池出口水面落差（m）。

消力池尾部出口水面跌落計(jì)算公式為：

式中：Q為下泄流量（m3/s）；g為重力加速度（m/s2）；b為消力池寬度（m）；Φ為水流自消力池出流的流速系數(shù)，取Φ=0.95；其他變量含義同上。

消能按30年一遇（P=3.33％）下泄流量14.8 m3/s計(jì)算，按50年下泄總流量16.9 m3/s校核。經(jīng)計(jì)算，得到消力池池長22 m、池深1.5 m，消力池邊墻高度按照1 000年下泄流量29.5 m3/s確定為7.4 m。

6　結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

6.1消力池底板抗浮穩(wěn)定分析

6.1.1消力池底板厚度

其計(jì)算公式為：

式中：t為消力池底板厚度（m）；hc為躍前收縮斷面水深（m），由于水頭為52 m，躍前收縮斷面底寬4 m，根據(jù)能量方程得到躍前收縮斷面水深hc為0.075 m；Vc為躍前收縮斷面流速（m/s），由于躍前收縮斷面流量為9.6 m3/s、底寬為4 m，根據(jù)Vc=Qc/（bhc）公式得到Vc=32 m/s；K為底板抗浮折減系數(shù)，取0.12；α為末端射流與水平向所成的角度，取32°。

將上述數(shù)據(jù)代入式（7），經(jīng)計(jì)算得到t=1.050 m。由此，初選底板厚度t=1.2 m。

6.1.2消力池底板抗浮穩(wěn)定

由于結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，消力池底板所受的荷載也是對(duì)稱的。因此，作為一個(gè)整體，其滿足整體穩(wěn)定的要求。

由于抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)=（水重+自重）/（揚(yáng)壓力+脈動(dòng)壓力）=1.461，所以消力池底板抗浮穩(wěn)定。

6.2駝峰堰段抗滑穩(wěn)定計(jì)算

駝峰堰段穩(wěn)定按基本和特殊組合進(jìn)行計(jì)算分析。

6.2.1計(jì)算工況與荷載組合

（1）完建工況。堰上下游均無水；荷載組合：結(jié)構(gòu)自重。

（2）正常工況。堰上游水位為正常庫水位2 037.50 m，堰后無水；荷載組合：結(jié)構(gòu)自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力（浮托力+滲透壓力）。

（3）設(shè)計(jì)工況。堰上游水位為2 038.78 m，堰后水位為2 037.932 m；荷載組合：結(jié)構(gòu)自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力（浮托力+滲透壓力）。

（4）校核工況。堰上游水位為2 039.4 m，堰后水位為2 038.351 m；荷載組合：結(jié)構(gòu)自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力（浮托力+滲透壓力）。

（5）地震工況。堰上游水位為正常庫水位2 037.50 m，堰后無水，遇地震動(dòng)峰值加速度0.3 g；荷載組合：結(jié)構(gòu)自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力（浮托力+滲透壓力）+地震。

6.2.2穩(wěn)定計(jì)算

穩(wěn)定計(jì)算方法采用抗剪斷公式，根據(jù)文獻(xiàn)［1］的有關(guān)規(guī)定，堰抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式為：

式中：K為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為堰混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；C′為堰混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力（kPa）；ΣG為作用在堰上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向分量（kN）；ΣP為作用在堰上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的切向分量（kN）；A為堰與基巖接觸面的截面積（m2）。

6.3地基應(yīng)力計(jì)算

地基應(yīng)力計(jì)算公式為：式中：Pmaxmin為地基應(yīng)力的最大值或最小值（kPa）；∑M為作用在堰上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向分量和切向分量對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的力矩（kN·m）；W為堰基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩（kN·m）；其他變量含義同上。

6.4計(jì)算成果

堰穩(wěn)定計(jì)算及地基應(yīng)力計(jì)算成果，見表3。

表3　堰穩(wěn)定計(jì)算及地基應(yīng)力計(jì)算成果

駝峰堰坐落在泥巖夾泥灰?guī)r、長石石英細(xì)砂巖上，地基承載力為300 kPa，均滿足計(jì)算結(jié)果。經(jīng)過計(jì)算，溢洪閘穩(wěn)定和地基應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

7　結(jié)論

溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個(gè)工程造價(jià)。段家壩水庫溢洪道2條軸線布置開挖邊坡都不大，地質(zhì)條件相同，工程量相近，但右岸埡口方案存在小學(xué)搬遷賠償問題，投資較大，因此推薦緊靠大壩右岸布置。因本區(qū)徑流面積小、洪水不大，通過不同方案組合，水位對(duì)溢洪道寬度以及隧洞是否參與泄洪敏感性不大，為便于今后對(duì)水庫的運(yùn)行調(diào)度，溢洪道型式選擇開敞式無閘控制，寬度選取6.0 m。溢洪道選用單獨(dú)泄洪的正常溢洪道能滿足要求，導(dǎo)流輸水隧洞設(shè)為單一的輸水功能，并通過水力學(xué)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算說明結(jié)構(gòu)布置可行的。

［1］SL253-2000，溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

TV651.1；TV222

B

1004-7328（2016）04-0026-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.008

2016—03—21

洪振國（1976—），男，高級(jí)工程師，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)及研究工作。