基于混凝土溢流壩最優(yōu)布置方案的選擇

譚立清，邵明貴

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽110006)

1 引言

在重力壩的設(shè)計(jì)中溢流壩段的布置方案至關(guān)重要，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到重力壩樞紐投資大小，最佳的溢流壩布置方案可以使工程投資最少。溢流壩段的布置主要為堰頂高程和泄流凈寬的選擇。溢流壩段的布置要考慮很多的因素，要綜合考慮水庫的規(guī)模、河道的水文條件、壩下河床的抗沖能力，下游河道防洪標(biāo)準(zhǔn)以及庫區(qū)淹沒等。在滿足各項(xiàng)要求的條件下有多種溢流壩段堰頂高程和泄流凈寬的選擇，從中找出最優(yōu)布置方案是一個(gè)非常繁瑣和耗時(shí)的過程。以下根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319－2005)壩頂高程計(jì)算公式來說明溢流壩最優(yōu)布置方案的選擇方法。

2 重力壩壩頂高程的計(jì)算

重力壩壩頂高程按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319－2005)規(guī)定:水庫靜水位+壩頂超高，壩頂超高計(jì)算公式為:

式中:△h為防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m;h1%為波高，m;hz為波浪中心線至正常或校核洪水位的高差，m;hc為安全加高，m。

從以上重力壩壩頂高程的計(jì)算公式中可以看出，壩頂超高△h為防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差。在正常蓄水位的工況下，波浪要素計(jì)算采用的風(fēng)速值為重現(xiàn)期50 a的年最大風(fēng)速;在校核洪水位的情況下波浪要素計(jì)算采用的風(fēng)速值為多年平均最大風(fēng)速。重現(xiàn)期為50 a的風(fēng)速大于多年平均最大風(fēng)速，因此正常蓄水位情況下計(jì)算出的波浪超高要素值大于校核洪水位情況下波浪超高要素值。水庫的校核洪水位高于正常蓄水位，因此，在某一堰頂高程(泄流凈寬)情況下，就對(duì)應(yīng)一種泄流凈寬(堰頂高程)，正常蓄水位工況和校核洪水位工況算出的壩頂高程相同，這時(shí)的溢流壩布置方案就為該堰頂高程(泄流凈寬)的最優(yōu)布置方案。在堰頂高程不變的情況下，我們繼續(xù)增加溢流壩段的泄流寬度，就會(huì)使校核洪水位降低，但壩頂高程不變，因?yàn)榇藭r(shí)壩頂高程是由正常蓄水位控制，增加溢流壩段的長(zhǎng)度，反而增加了工程投資。同時(shí)，在泄流凈寬不變的情況下，繼續(xù)降低堰頂高程，會(huì)使校核洪水位降低，但壩頂高程同樣不變，因?yàn)閴雾敻叱掏瑯邮怯烧Ｐ钏豢刂疲档脱唔敺炊黾恿碎l墩的長(zhǎng)度，增加了金屬結(jié)構(gòu)的工程量，也同樣會(huì)增大投資。按照正常蓄水位和校核洪水位算出的壩頂高程相等的原則，對(duì)于溢流壩的每一個(gè)堰頂高程總會(huì)有一個(gè)泄流寬度與之對(duì)應(yīng)，選定幾組進(jìn)行投資比較計(jì)算，可以從中找出最佳溢流壩布置方案。采用以上方法一般選擇3～4組進(jìn)行布置和工程量投資計(jì)算，從中選擇投資最優(yōu)布置方案。

3 溢流壩段最佳布置方案選擇過程

3.1 確定壩頂高程

根據(jù)規(guī)劃給定的正常蓄水位，按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319－2005)的壩頂高程計(jì)算公式，計(jì)算出壩頂高程。

3.2 推算校核洪水位

根據(jù)已算出的壩頂高程，考慮風(fēng)浪要素等推算出校核洪水位。

3.3 擬定堰頂高程和泄流凈寬

擬定幾個(gè)堰頂高程，然后根據(jù)已有的校核洪水位，通過調(diào)洪來試算出每一堰頂高程所對(duì)應(yīng)的泄流寬度。在擬定堰頂高程和泄流凈寬時(shí)，要與金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)配合考慮閘門的合理布置。壩段的長(zhǎng)度，也是閘門寬度選擇所需考慮的因素，過寬的閘門布置可能會(huì)使溢流壩段和門庫壩段長(zhǎng)度過長(zhǎng)，超出規(guī)范規(guī)定，對(duì)大壩溫度應(yīng)力不利。在閘門孔數(shù)小于8孔時(shí)，一般選奇數(shù)孔閘門布置，當(dāng)孔數(shù)超過8孔時(shí)，可選擇奇數(shù)孔也可以選擇偶數(shù)孔。單孔凈寬選擇考慮閘門的最優(yōu)體形布置，合理的高寬比，在北方地區(qū)選擇范圍一般為10～15 m。

3.4 進(jìn)行樞紐布置，計(jì)算工程量

根據(jù)選定的幾組堰頂高程和泄流凈寬，進(jìn)行樞紐布置，算出工程量和投資，并進(jìn)行比較選出最佳布置方案。

以上最優(yōu)方案的選擇在溢流壩敞泄，同時(shí)無其他的泄流設(shè)施參與泄洪時(shí)，是一個(gè)行之有效方法，根據(jù)筆者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，采用此種方法能夠很快找到溢流壩最優(yōu)布置方案。

4 工程實(shí)例

猴山水庫工程位于遼寧省綏中縣狗河中游，工程等別為II等，工程規(guī)模為大(2)型，擋水建筑物為混凝土重力壩。重力壩由左右岸擋水壩段、河床溢流壩段、引水壩段和門庫壩段組成，最大壩高50 m。水庫不承擔(dān)下游防洪任務(wù)，主要是向?yàn)I海經(jīng)濟(jì)區(qū)供水，并兼顧灌溉的大型綜合利用水利樞紐工程，水庫正常蓄水位為134.0 m。

根據(jù)以上介紹的方法來選擇溢流壩段的最佳布置。

4.1 計(jì)算壩頂高程

重現(xiàn)期為50 a的水庫最大風(fēng)速為20 m，吹程為3 km，計(jì)算防浪墻頂高程為137.3 m，壩頂高程為135.24 m。

4.2 計(jì)算校核洪水位

根據(jù)正常蓄水位和校核洪水位計(jì)算壩頂高程相等的原則，由以上算出的壩頂高程來推算校核洪水位。多年平均最大風(fēng)速為14.4 m，吹程為3.3 km，推算出校核洪水位為135.24 m。

4.3 擬定堰頂高程和泄流凈寬

擬定3個(gè)堰頂高程分別為118.5 m、120.0 m和121.5 m，閘門擋水高度分別為15.5 m、14.0 m和12.5 m。根據(jù)以上推算出的校核洪水位，來試算泄流凈寬，經(jīng)計(jì)算泄流凈寬分別為49 m、56 m和65.5 m。通過與金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)配合，考慮閘門擋水超高，選擇閘孔布置分別為12.25 m×16 m×4(寬×高 × 孔 數(shù))、14 m×14.5 m×4(寬 × 高 × 孔 數(shù))和13.1 m×13 m×5(寬×高×孔數(shù))。

4.4 進(jìn)行樞紐布置，計(jì)算工程量

按以上選定的各組堰頂高程和相對(duì)應(yīng)的閘孔布置方案，進(jìn)行工程量計(jì)算并估算投資，投資比較見表1。

表1 不同堰頂高程與泄流凈寬方案投資比較表萬元

通過比較可以發(fā)現(xiàn)堰頂高程120.0 m，泄流凈寬56 m(4孔)方案投資比較經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)束語

本文通過工程實(shí)例來說明混凝土溢流壩段最佳布置方案的選擇過程。根據(jù)正常蓄水位和校核洪水位計(jì)算壩頂高程相等的原則，來推算校核洪水位，并進(jìn)而選擇堰頂高程和泄流凈寬布置方案，最后通過比較選出最佳溢流壩段布置方案。希望本文介紹的方法能為其它類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。