控制段迷宮堰技術在瀏陽市金山水庫除險加固溢洪道改造中的應用

楊傳憲

（瀏陽市水利水電勘測設計院　長沙市　410300）

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控制段迷宮堰技術在瀏陽市金山水庫除險加固溢洪道改造中的應用

楊傳憲

（瀏陽市水利水電勘測設計院長沙市410300）

【摘要】針對金山水庫溢洪道泄流現狀及存在的安全問題，提出進口迷宮堰改造加固設計方案。文章介紹了直線型迷宮堰的水力特點，以及結構設計，以及具體應用情況，可供其他類似工程參考。

【關鍵詞】小型水庫除險加固溢洪道迷宮堰

1　工程概況

金山水庫位于瀏陽市中和鎮金星村的南川河支流，建于1968年。壩址控制集雨面積12.25km2，壩址以上干流長度7.02km，干流平均坡降57‰。該水庫是一座灌溉1 000畝耕地的小（Ⅱ）型水庫。水庫正常蓄水位222.40m，相應庫容17.38萬m3；設計洪水位224.22m，相應庫容27.12萬m3；校核洪水位224.55m，相應庫容29.55萬m3。

水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、輸水建筑物等部分組成。大壩采用均質土壩結構，壩頂高程224.14m，最大壩高14.89m，壩頂寬1.74m，壩頂軸線長53.1m，上游壩坡為二級坡，坡比為1∶2.2和1∶2.87，下游壩坡為兩級坡，坡比為1∶1.84和1∶3.44。

溢洪道位于大壩左壩肩，系開敞式正槽溢洪道，由左側壩體開挖而成。全長約22.7m，堰頂寬17m，堰頂高程222.4m，上壩公路橫穿溢洪道。放水隧洞位于大壩右岸，斷面尺寸為1.0m×1.5m（寬×高），鋼筋混凝土結構，隧洞長44m，閘門高程為211.96m，隧洞進口高程為210.78m，出口高程204.35m，隧洞縱坡為1/6。壩體原有老底涵洞斷面尺寸為0.8m× 0.8m（寬×高）已封堵。

2　水庫溢洪道現狀基本情況

溢洪道位于大壩左岸上游50m處，由開挖山體埡口形成。溢洪道全長22.7m，堰頂寬17m，高程222.40m，最大泄量54.40m3/s。溢洪道底板為混凝土結構，破損開裂，表層脫落；左側墻體用漿砌石護砌，墻高2.5m，墻體單薄破損嚴重；右側壁巖石風化強烈，存在局部小規模的掉塊和垮塌現象，未護砌；泄槽直接與泄洪河道相接，無消力池，連接段河道底部未襯砌，已沖刷成坑。

溢流道基礎為冷家溪群第三巖組第一段（Pt1n3-1）深灰色中厚層狀粉砂質板巖，巖石破碎。節理裂隙較發育，呈風化狀，抗沖刷能力不強。強風化帶厚度（0.5～1.5）m，巖層產狀N61°W·NE∠29°，走向與溢洪道軸線斜交。

因金山水庫庫容相對于集雨面積偏小，壩頂安全超高不夠，現狀溢洪道溢流能力嚴重不足，影響壩體安全運行，水庫一直處于控制蓄水運行狀態。

3　溢洪道處理方案

原設計方案考慮到灌溉任務不大，來水量較大，在保證灌溉的前提下考慮防洪安全將溢洪道底板高程從222.4m降低至221.0m，降低1.4m，該方案通過評審并批復。但在施工期間該方案未能夠實施，主要存在以下問題：一是施工單位進場施工后，村民擔心水庫有效庫容減少太多會影響將來下游灌溉而阻工，工程無法正常施工；二是由于校核洪水位較高，導致橋面高程要抬高，交通橋與右岸公路路面銜接困難，實施過程中破路長度過長，對當地交通影響大，造價高，當地村民不同意破路而阻工。經審批單位及專家、各參建單位現場查看復核后一致同意改變原設計溢洪道寬頂堰堰型，以增大溢洪道泄流能力，滿足設計過流要求。

原設計溢洪道控制段采用寬頂堰，同意變更后在調洪過程中寬頂堰堰型滿足不了泄洪要求，采用駝峰堰和WES堰調洪結果進行對比，降低水位不明顯，均不滿足設計要求，最后嘗試采用迷宮堰堰型。

迷宮堰是平面上呈齒狀折線型布設的薄壁堰，由于它的溢流前沿比相同寬度溢洪道上的直線堰臘腸幾倍或者十幾倍，所以其溢流能力比直線堰大得多。在溢流水頭不變的情況下，可以大幅增加泄洪流量；或者流量相同時，可減少溢流水深，太高堰頂高程，增加興利庫容。

通過對控制段設置迷宮堰進行調洪計算，達到了設計要求，最終圓滿完成了溢洪道改造。降低了工程造價，達到了降低校核水位和橋面高程的要求。其滯洪庫容相應減小，有效庫容增大，有效蓄水量增大、效益增大，解決了老百姓迫切需要解決的蓄水與防洪矛盾，破解了多年未能解決的難題，達到一勞永逸的功效，其經濟、社會、生態三大效益顯著。

4　溢洪道設計

4.1設計暴雨

金山水庫沒有進行水文氣象觀測資料，本次水庫除險加固設計洪水復核仍根據《查算手冊》推薦的推理公式進行計算，見表1。

表1　金山水庫設計暴雨成果　mm

4.2設計洪水

（1）設計洪峰流量及匯流時間。各頻率的地面洪峰流量及匯流時間是根據地理參數θ、匯流參數m及Rt/t關系曲線推求的，地理參數θ、匯流參數m按下式計算：

式中L——金山水庫壩址以上干流長度（km）；

F——金山水庫壩址控制流域面積（km2）；

J——干流比降。

各頻率的地下徑流的洪峰流量按三角形法推求。

經過計算求得各頻率洪峰流量及其他主要參數見表2。

表2　設計洪水參數（推理公式）

（2）設計洪水過程線的推求。參照《查算手冊》，地面徑流過程按徑流分配系數法推求，地下徑流過程按等腰三角形關系推求，各頻率洪水過程線見表3。

4.3泄流能力分析

為了水庫安全起見，根據金山水庫的具體情況，調洪演算遵循以下原則：在正常蓄水位（221.60m）開始起調，按溢洪道的泄洪能力泄洪水。同時，為水庫安全起見，調洪演算時，不考慮放水隧洞參與泄洪。

表3　金山水庫入庫洪水過程線（推理公式）　m3/s

水庫調洪演算，就是通過水量平衡方程求得不同設計入庫流量過程情況下的出庫流量，從而求出相應設計入庫流量情況下的最高庫水位以及相應的庫容和下泄流量。

（1）迷宮堰主要設計參數。

W=18m，L=54m；

L/W=3

n=4，w1=4.5m取P=1.6m；

w1/P=2.81

取a=0.25m

迷宮堰單宮的展開長度I=4a+2b

已知I=13.5m 4a=1m經計算得：

堰側墻邊長b=6.25m。

式中a——頂長之半（m）；

b——堰側墻邊長（m）；

I——迷宮堰單宮的展開長度（m）；

W——溢洪道直線寬度（m）；

L——迷宮堰折現展開長度（m）；

n——迷宮堰宮數；

w1——單宮寬（m）；

P——堰高（m）。

（2）迷宮堰泄洪能力計算公式。

式中QE——下泄流量（m3/s）；

Mw——流量系數；

W——溢洪道直線寬度，取18m；

g——為重力加速度；

H——計入行進流速的堰上總水頭。

流量系數Mw取值查圖《低水頭水工建筑物設計》第五章第四節迷宮堰圖5-8流量系數關系Mw與L/W-H/P-W/P關系曲線（c）W/P=3（見圖1）得到各水頭對應的流量系數，計算成果見表4和表5。

圖1　流量系數關系Mw與LW-H/P-W/P關系曲線

表4　水位-下泄流量計算表

（3）等寬寬頂堰型式泄流能力。

溢洪道設計采用堰頂總凈寬為18m，上游進口寬度21.5m，水平控制段長5.00m，泄流量計算公式：

（4）等寬駝峰堰型式泄流能力。

泄流量參照武漢水利電力學院編著的《水力計算手冊》推薦的公式計算，ε為閘墩側收縮系數，由下式計算得：ε=1-0.2［ζK+（n-1）ζ0］，ζ0為中墩形狀系數，查《規范》表A.2.1-3為 0.45，ζK為邊墩形狀系數，查《規范》圖A.2.1-2表為0.7，采用b型駝峰堰。

b型駝峰堰設計參數表

流量系數的計算：P1/H0＞0.34采用m=0.452（P1/ H0）-0.032

不同堰型在控制段等寬下的泄流計算成果見表5。

表5　金山水庫水位-庫容、泄流關系表

因此可以得出結論，金山水庫溢洪道采用新型迷宮堰型式后，隨著堰上水頭的不同，泄流能力是寬頂堰型式溢洪道的5～8倍，駝峰堰型式溢洪道的2～3倍，滿足變更后正常水位抬高的過流要求。

4.4調洪演算

根據調洪演算的基本原則和金山水庫庫容曲線、泄流曲線及入庫洪水過程線，利用調洪演算的基本方程，采用試算法求得不同頻率洪水要素見表6。

表6　調洪演算結果

4.5結構設計

迷宮堰軸線平面布置為直線，兩側和橋墩相連，主要構件包括堰墻和底板，堰墻平時擋水，泄洪時起溢流堰作用，市主要傳力構件。底板是為了滿足固定堰墻、防滲、防沖要求而設置。本次設計采用剛性連接整體式結構。

軸線前沿直線段樁號為溢（0～019.4）m。溢洪道堰頂高程由原設計高程221m提高至221.6m，溢洪道底板高程整體上調0.6m，壩頂高程由225m調整至225.3m。設計溢洪道直線凈寬度為18m。迷宮堰折現展開長度54m，迷宮堰共4宮，單宮寬W=4.5m，每宮展長I=13.5m。

從開挖的基礎來看，控制段部分全為結構完整的砂質板巖，進口段裂隙較為發育。控制段設一交通橋，總長21.8m，分兩跨。由于基礎整體性較好，工程規模較小，兩個宮連在一起不會引起過大的溫度應力。本次控制段迷宮堰分縫和交通橋分縫重合，在橋中墩處進行分縫，設橡膠止水。兩側與橋邊墩設置溫度應力縫分開。

整體式迷宮堰堰墻主要起懸壁板作用，由于堰墻和底板剛性連接，整體性好，但堰墻和底板所受彎矩都較大，要求較大的混凝土斷面和較多的配筋。墻底厚度和堰高比值在（0.16～0.2）之間較為經濟，由于工程不大，本次設計堰墻做成上薄下厚的梯形斷面。堰體鋼筋混凝土薄壁堰，頂部修圓墻頂部寬0.3m，墻底部寬0.5m，墻高1.6m，頂部修圓墻頂做成半圓形，半徑0.15m。豎向主筋采用Φ14@200、橫向采用Φ10@200布置。底板采用50 cm鋼筋混凝土底板與基巖結合的形式，底板前后設置0.8m深，寬0.5m的齒槽，增強抗滑穩定性。具體見溢洪道平面布置圖（圖2）、溢洪道縱剖面圖（圖3）、迷宮堰平面圖（圖4）、剖面圖（圖5）。

底板設計為6.5m長，順水流長度為堰高4倍多，基地應力滿足要求。

迷宮堰底板混凝土與巖基之間有一定的凝聚力，采用抗剪斷強度驗算抗滑較為合理。

抗剪斷公式：

式中K1——按抗剪斷公式計算的抗滑穩定安全系數；

f1——迷宮堰底板混凝土與巖基接觸面的抗剪斷摩擦系數；

C1——迷宮堰底板混凝土與巖基接觸面的抗剪斷凝聚力（kPa）；

A——迷宮堰底板截面積（m2）；

∑W——作用于堰體上計算截面以上全部荷載對底面的法向分值（包括揚壓力）（kN）；

∑P——作用于堰體上計算截面以上全部荷載對底面的切向分值（kN）；

圖2　溢洪道平面布置圖

圖3　溢洪道縱剖面圖

圖4　迷宮堰平面圖

圖5　迷宮堰剖面圖

抗剪斷安全計算參數采用地質推薦值（表7）。

表7　金山水庫大壩抗滑穩定復核計算參數表

根據《混凝土重力壩設計規范》（SL 319-2005），壩體抗滑穩定安全系數應不小于下表8中的數值。

表8　抗滑穩定安全系數

按抗剪斷公式計算的抗滑穩定安全系數最小值為4.20，滿足規范要求。

5結語

迷宮堰的泄水前沿比同等寬度的直線堰長數倍，在溢流寬度相同的條件下，迷宮堰的泄流能力比一般的寬頂堰可增加數倍，特別是在低水頭情況下，幾乎與溢流前沿長度成正比，用迷宮堰技術來改造已建水庫的溢洪道，可在不增加壩高和確保通過設計洪水的前提下，提高興利水位，增加興利庫容，投資省見效快。

需要注意的是，迷宮堰改造后所解決的是增大過堰流量的問題，并不能因此而增大溢洪道泄流能力。因此采用迷宮堰技術改造已建水庫溢洪道，要求溢洪道泄槽有足夠的寬度和底坡比，以保證不會因過堰能力增大而溢洪道過流能力不足導致泄槽段出現淹沒流流態，這種技術特別適用于山丘地區溢洪道泄槽段底坡坡比大于1：10的小型水庫除險加固工程的無閘控制溢洪道改造。

參考文獻

［1］李天科，劉經強，王愛福.低水頭水工建筑物［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

作者簡介：楊傳憲（1978-），男，湖南瀏陽人，大學本科，工程師，研究方向：水利水電工程設計，施工管理及工程測繪，手機：15084859520。

收稿日期：（2016-02-21）