水庫溢洪道結構及布置設計研究

洪振國，洪振權

水庫溢洪道結構及布置設計研究

洪振國1，洪振權2

（1.云南省水利水電勘測設計研究院，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、型式的比選及結構研究發現，溢洪道2條軸線布置開挖邊坡都不大，地質條件相同，工程量相近，但右岸埡口方案存在小學搬遷賠償問題，因此推薦緊靠大壩右岸布置。因本區徑流面積小、洪水不大、水位對溢洪道寬度以及隧洞是否參與泄洪敏感性不大，為便于今后對水庫的運行調度，采用開敞式無閘控制、單獨泄洪的正常溢洪道能滿足要求。

水庫；溢洪道；結構；布置

溢洪道是水庫樞紐的一個非常重要的建筑物，溢洪道的設計和布置合理與否不僅直接影響到水庫的安全，而且關系到整個工程造價。所以，有必要對溢洪道的結構及布置進行深入研究。在水庫工程溢洪道設計時，筆者對典型中型水庫的段家壩水庫溢洪道分別進行布置、結構、水力學計算及結構計算研究。

1　工程概況

段家壩水庫工程主要任務是向農業灌溉、集鎮和農村人畜飲水供水，兼顧工業供水。水庫總庫容1 360.1萬m3，調洪庫容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，其中平達片526.67 hm2、勐糯片1 866.67 hm2。水庫向鄉村集鎮和灌溉供水流量為2.254 m3/s，工業供水流量為0.014 m3/s，生態供水流量為0.07 m3/s。水庫樞紐建筑物由攔河壩、溢洪道、導流輸水隧洞組成，工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型，主要建筑物大壩、溢洪道、導流輸水隧洞為3級建筑物，取水壩屬次要建筑物、為4級，臨時建筑物為5級。水庫攔河壩設計洪水標準為50年一遇（P=2％），相應的下泄流量為16.9 m3/s；校核洪水標準為1 000年一遇（P=0.1％），相應的下泄流量為29.5 m3/s；下游消能防沖建筑物洪水標準為30年一遇（P=3.33％），相應的下泄流量為14.8 m3/s。

2　溢洪道布置

溢洪道的布置根據地形、地質、工程特點、樞紐總體布置、施工及經濟指標等綜合因素進行全面考慮，由于段家壩水庫壩址區左岸為向河床方向凸起的厚實山體，工程地質條件較好，有利于輸水隧洞布置，考慮到導流與輸水相結合，結合施工時兩者相互干擾和出口水流為平順入流的實際，將導流輸水隧洞布置在大壩左岸。同時，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。但埡口處是當地一所小學校，若搬遷小學校則造成當地小孩上學困難，加上工程區地處偏遠山區，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，軸線布置需轉彎，但工程占地少，不存在搬遷賠償問題，對當地群眾生活影響較小。

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，地質條件相同，工程量相近，但方案1存在小學搬遷賠償問題，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種不同調洪方案進行比選。

3.1方案1：溢洪道單獨泄洪

溢洪道底板高程設于正常水位2 037.50 m，單獨泄洪，堰寬3、4、5、6、8 m時水位相差僅0.11～0.4 m，壩高增加不大，能滿足水庫正常運行的需要，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：溢洪道與隧洞聯合泄洪

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

3.3方案3：溢洪道與隧洞聯合泄洪

溢洪道底板高程設于設計洪水位高程，與隧洞聯合泄洪。隧洞閘門不同開度下，溢洪道堰寬6 m時校核水位為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。

因本區徑流面積小、洪水不大，通過不同方案組合，水位對溢洪道寬度以及隧洞是否參與泄洪敏感性不大，為便于今后對水庫的運行調度，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。溢洪道選用單獨泄洪的正常溢洪道能滿足要求，導流輸水隧洞設為單一的輸水功能。

4　溢洪道結構

溢洪道布置于右岸，其進口形狀做成喇叭口，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、消力池段及出口護坦段組成，全長305.53 m，采用消力池消能。

根據調洪結果，校核洪水時溢洪道下泄流量為29.5 m3/s，設計洪水下泄流量為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，為平面轉彎段，轉彎半徑R=40 m，θ1=30°，進口段為U形整體鋼筋混凝土結構。

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鋼筋混凝土整體結構，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漸變為4.0 m，采用矩形斷面，采用C25鋼筋混凝土整體結構，底坡i=0.02。其中，溢0+072.433—溢0+089.887段長17.444 m，為平面轉彎段，轉彎半徑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鋼筋混凝土整體結構，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鋼筋混凝土整體結構。消力池底板下設置排水孔，底部鋪設砂碎石反濾層。

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鋼筋混凝土整體結構，底坡i=0.001，邊墻高5.9 m；溢0+219.238—溢0+263.530出口護坦段為矩形斷面，采用M7.5漿砌石護砌，溢洪道出口水流與河道平順連接。

每條沖溝處設漿砌石擋墻，將區間水攔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度、抗滲、抗凍等級為C25W6F50，拋物線段及泄槽Ⅱ段、挑流段混凝土強度、抗滲、抗凍等級為C30W6F50。

5　水力學設計

5.1泄流復核計算

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

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為計入流速水頭的堰上總水頭（m），H0≈H；m為流量系數；ε為側收縮系數。

表1　溢洪道泄流量計算成果

由表1可知，溢洪道下泄流量滿足調洪要求。

5.2泄槽段水面線計算

泄槽水面線根據能量方程，用分段求和法計算，計算公式為：

式中：ΔL1-2為分段長度（m）；α1，α2為流速不均勻分布系數，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）；為分段內平均摩阻坡降；為分段內的平均流速（m/s）；為分段內水力半徑平均值（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。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水流摻氣水深計算

水流摻氣水深計算公式為：

式中：h，hb為泄槽計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算斷面的流速（m/s）；ζ為修正系數，取ζ=1.0～1.4，流速大者取大值。

經計算，結果如下：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消能計算

采用《溢洪道設計規范》（SL253-2000）計算公式，擬采用等寬矩形斷面挖深式消力池消能。

池深計算公式為：

式中：d為消力池池深（m）；σ為水躍淹沒度，取σ= 1.05～1.10；h2為池中發生臨界水躍時的躍后水深（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，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計算，按50年下泄總流量16.9 m3/s校核。經計算，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　結構穩定計算

6.1消力池底板抗浮穩定分析

6.1.1消力池底板厚度

其計算公式為：

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Vc=Qc/（bhc）公式得到Vc=32 m/s；K為底板抗浮折減系數，取0.12；α為末端射流與水平向所成的角度，取32°。

將上述數據代入式（7），經計算得到t=1.050 m。由此，初選底板厚度t=1.2 m。

6.1.2消力池底板抗浮穩定

由于結構是對稱的，消力池底板所受的荷載也是對稱的。因此，作為一個整體，其滿足整體穩定的要求。

由于抗浮穩定安全系數=（水重+自重）/（揚壓力+脈動壓力）=1.461，所以消力池底板抗浮穩定。

6.2駝峰堰段抗滑穩定計算

駝峰堰段穩定按基本和特殊組合進行計算分析。

6.2.1計算工況與荷載組合

（1）完建工況。堰上下游均無水；荷載組合：結構自重。

（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：結構自重+水重+靜水壓力+揚壓力（浮托力+滲透壓力）。

（3）設計工況。堰上游水位為2 038.78 m，堰后水位為2 037.932 m；荷載組合：結構自重+水重+靜水壓力+揚壓力（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：結構自重+水重+靜水壓力+揚壓力（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，遇地震動峰值加速度0.3 g；荷載組合：結構自重+水重+靜水壓力+揚壓力（浮托力+滲透壓力）+地震。

6.2.2穩定計算

穩定計算方法采用抗剪斷公式，根據文獻［1］的有關規定，堰抗滑穩定計算公式為：

式中：K為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f′為堰混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數；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計算滑動面的法向分量（kN）；ΣP為作用在堰上的全部荷載對計算滑動面的切向分量（kN）；A為堰與基巖接觸面的截面積（m2）。

6.3地基應力計算

地基應力計算公式為：式中：Pmaxmin為地基應力的最大值或最小值（kPa）；∑M為作用在堰上的全部荷載對計算滑動面的法向分量和切向分量對于基礎底面垂直水流方向的力矩（kN·m）；W為堰基底面對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計算成果

堰穩定計算及地基應力計算成果，見表3。

表3　堰穩定計算及地基應力計算成果

駝峰堰坐落在泥巖夾泥灰巖、長石石英細砂巖上，地基承載力為300 kPa，均滿足計算結果。經過計算，溢洪閘穩定和地基應力均滿足規范要求。

7　結論

溢洪道的設計和布置合理與否不僅直接影響到水庫的安全，而且關系到整個工程造價。段家壩水庫溢洪道2條軸線布置開挖邊坡都不大，地質條件相同，工程量相近，但右岸埡口方案存在小學搬遷賠償問題，投資較大，因此推薦緊靠大壩右岸布置。因本區徑流面積小、洪水不大，通過不同方案組合，水位對溢洪道寬度以及隧洞是否參與泄洪敏感性不大，為便于今后對水庫的運行調度，溢洪道型式選擇開敞式無閘控制，寬度選取6.0 m。溢洪道選用單獨泄洪的正常溢洪道能滿足要求，導流輸水隧洞設為單一的輸水功能，并通過水力學及結構穩定計算說明結構布置可行的。

［1］SL253-2000，溢洪道設計規范［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，高級工程師，主要從事水工建筑物設計及研究工作。