雙峰寺水庫溢流壩設計要點

楊麗君

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

1 工程概況

雙峰寺水庫位于灤河一級支流武烈河干流上，是一座以防洪為主，結合城市供水，兼顧發電和生態環境供水等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂全長533m，最大壩高50.1m，由非溢流壩段、溢流壩段、底孔壩段和電站壩段組成。溢流壩段位于主河槽，建基巖體為弱風化片麻巖。溢流壩段全長101.0m，共布置5個壩段，壩段長17.5～22m，每個壩段布置2孔。溢流壩堰頂總凈寬81m，分9孔，單孔堰頂凈寬9m；堰體上游面直立，下游堰面曲線采用WES冪曲線，直線段坡比1∶0.75。消能型式為挑流消能。溢流壩堰頂設弧形工作閘門和平面檢修鋼閘門。

2 溢流壩總體布置

雙峰寺水庫是武烈河干流唯一的控制性工程，以防洪為主，依據泄水建筑物優先布置于主河床，在各種水位條件下應滿足能宣泄不同流量，各建筑物布置相互協調、互不干擾，以及便于運行安全、統一調度、管理方便。將溢流壩段布置在現河道主河槽位置，以使下泄水流能直接進入主河槽，順應河勢，減少對河岸的沖刷，減少下游水流歸槽的開挖量。

3 溢流壩堰面曲線確定

溢流壩采用開敞式，堰面由堰頂上游曲線段、堰頂下游曲線段、中間直線段和下部反弧3部分組成。

溢流壩堰面曲線應使水流平順地通過堰頂，在堰面不產生過大的負壓，溢流能力較大，堰頂上游曲線采用三圓弧曲線，堰頂下游堰面采用WES冪曲線，定型設計水頭按堰頂最高水頭的85%取值，則WES曲線為x1.85=10.3206y。

溢流壩的中間直線段是WES曲線和下游消能段的連接段，上端與堰頂曲線相切，下端和反弧曲線相切。

下游消能段采用連續式的挑流鼻坎。根據我國的工程實踐經驗，挑角采用25°的挑射角；鼻坎高程以高于下游水位1～2m為宜，設計取370m，高于消能防沖設計洪水標準50年一遇時對應的下游水位，與下游最高水位持平；鼻坎反弧段半徑R以6～10倍鼻坎上的水深為宜，根據能量方程，求出水深，進而求得反弧段半徑。

4 水力設計

溢流壩水力設計包括泄流能力計算和消能防沖水力設計。

4.1 泄流能力計算

通過泄流計算，確定泄流曲線，為水庫調洪演算提供依據。溢流壩堰體上游面直立，堰面曲線采用WES冪曲線，泄流能力根據SL319—2005《混凝土重力壩設計規范》和《水工設計手冊》進行計算。經計算，100年一遇洪水位392.5m時泄量2059m3/s，2000年一遇洪水395.11m時泄量3804m3/s。

4.2 挑流計算

根據地質勘探資料，攔河壩下游基巖為塊狀構造的強、弱風化片麻巖，不存在影響壩體穩定的斷層結構，基巖抗沖能力較強，溢流壩消能型式采用挑流消能。

挑流消能的安全挑距，應不影響壩趾基巖穩定，沖坑最低距壩趾的距離應大于2.5倍的坑深。根據地質勘探，壩址處覆蓋層下伏基巖為強風化黑云斜長片麻巖，巖體局部較破碎，綜合沖刷系數取1.6。經計算，超過堰頂高程的各種標準洪水情況下，溢流堰泄流下游沖坑后坡均小于1∶2.5，滿足規范要求，沖坑不會危及壩體的安全。

5 結構計算

5.1 壩體穩定計算

溢流壩壩體穩定計算為壩體穩定及應力計算，通過計算確定壩體穩定和應力值，判斷是否滿足規范的要求和設計斷面的合理性。

考慮到溢流壩兩個邊孔壩段在泄洪時表孔另一側無水，其邊墩將承受較大的側向水壓力，因此壩體沿壩基面抗滑穩定和基底應力計算選取中孔和邊孔兩個壩段的最大壩高斷面進行計算。

根據水庫的運用條件，控制性荷載基本組合：①設計洪水位情況；②正常蓄水位+冰凍情況。特殊組合：①正常蓄水位+排水失效；②校核洪水位情況。

經計算，溢流壩段壩基面抗剪斷安全系數基本荷載組合時最小值3.97大于規定值3.0，特殊荷載組合時最小值3.44大于規定值2.5；在各種荷載組合情況下，壩基最大垂直正應力最大值1.93MPa小于基巖的允許承載力3.5MPa，且壩基面均未出現拉應力，滿足規范要求。

5.2 閘墩結構計算

溢流壩堰頂總凈寬81m，分9孔，單孔凈寬9.0m，溢流表孔采用孔中分縫，堰頂設弧形工作鋼閘門，設計工作水頭5.5m，閘門采用固定式卷揚啟閉機啟閉。閘墩厚度與溢流表孔的各工況堰上水頭和孔口寬度有關，參考國內已建工程經驗，考慮到本工程孔口寬度較小、閘門擋水高度也不大，因此溢流壩邊墩和中墩均采用2.0m。

閘墩結構計算包括閘墩應力和配筋計算，弧形工作閘門支座及配筋計算。

5.2.1 閘墩應力計算和配筋

閘墩為雙向受力結構，不同高程截面上的應力不同，其中墩底應力最大，是閘墩應力計算的控制截面。閘墩應力計算，視閘墩為固結在堰體上的懸臂梁，墩底正應力按材料力學偏心受壓公式進行計算。

縱向（順水流方向）正應力計算控制性荷載效應組合為弧門上游庫水位為設計水位時啟門情況 （考慮閘門啟門力）；橫向（垂直水流方向）正應力控制性荷載效應組合為弧門上游庫水位為設計水位時一側孔口泄流、另一側弧門關閉情況。

經計算，閘墩縱向和橫向正應力中壓應力最大值1939kPa，小于閘墩混凝土的容許壓應力6429kPa；拉應力最大值118kPa，小于混凝土的容許拉應力554kPa，均不需要進行配筋計算，閘墩按構造配筋設計。

5.2.2 閘墩支座計算

溢流壩堰頂弧形工作閘門支座為與閘墩整體現澆的鋼筋混凝土牛腿，承受閘門支臂傳來的水壓力，根據弧形工作閘門支座受力及結構構造要求，首先擬定弧門支座結構尺寸，然后再對該斷面尺寸進行復核和配筋計算。根據閘門的運行條件，控制性荷載效應組合弧門上游庫水位為設計洪水位的水位情況。由于弧形閘門是露頂式工作閘門，故不考慮偶然設計狀況。

弧門支承結構尺寸根據公式計算和有關工程經驗綜合確定。本工程擬定的支座寬度b=1.5m，高度h=2.0m，外懸長度L=1.0m，支座外緣高度h1=1.0m，支座混凝土等級C25F200。根據SL191—2008《水工混凝土結構設計規范》 進行弧門支座的受力鋼筋截面積計算，經計算，弧門支座縱向受力鋼筋截面面積AS=1063.14mm2。承受弧門支座推力所需的縱向受力鋼筋的配筋率不宜小于0.2%，按最小配筋率確定的縱向受力鋼筋截面面積6000mm2。

閘墩由于弧門支座集中力作用產生拉應力，在支座前約2倍支座寬、1.5～2.5倍支座高的范圍內，閘墩內的拉應力集中，且大于混凝土的容許拉應力，配置受力鋼筋。受力鋼筋布置在閘墩表面，沿弧門推力方向按扇形布置。經計算，閘墩受一側弧門支座推力作用時為控制工況，計算配筋為2排15準25+15準25（排距20cm）；最外側扇形鋼筋與弧門推力方向的夾角為28°，相鄰鋼筋間夾角4°。

6 結語

（1）雙峰寺水庫溢流壩設計主要包括布置、體型設計、水力設計和結構計算等內容，確定了溢流壩堰面曲線、泄流曲線，得出挑流消能的安全挑距和沖坑深度，確定出合理的斷面和適合的配筋。

（2）總結了溢流壩布置和體型設計原則，水力、結構計算方法和結論，可供類似溢流壩設計借鑒。

［1］本書編委會.水工設計手冊［K］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］武漢水利電力學院水力學教研室編.水力計算手冊［K］.北京：水利電力出版社，1983.

［3］SL319—2005，混凝土重力壩設計規范［S］.

［4］SL191—2008，水工混凝土結構設計規范［S］.

［5］河北省水利水電勘測設計研究院.雙峰寺水庫初步設計報告［R］.2012.