小型水庫開敞式溢洪道的優化設計

劉長海

（深圳市水務規劃設計院，廣東深圳518000）

小型水庫開敞式溢洪道的優化設計

劉長海

（深圳市水務規劃設計院，廣東深圳518000）

溢洪道是水庫等水利建筑物的防洪設備，在工程項目中能夠發揮出排泄水庫存超蓄洪水的作用，使得水庫在汛期泄洪期間處于安全狀態。溢洪道一般不經常工作，但卻是水利樞紐工程中重要的結構組成之一。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，因此，研究溢洪道的優化設計至關重要。結合具體工程實例，針對水庫溢洪道工程區基巖強風化深度大、巖質較軟、不均勻沉降等問題，探討了溢洪道布置和體形結構的優化設計。

溢洪道；泄流；優化設計；泄洪建筑物

溢洪道是水利工程建設中的重要泄洪建筑物，其設計直接影響著水庫的安全運行，對于其經濟效益以及社會效益的提高起著重要的作用。基于此，本文以某水庫工程為例，討論了溢洪道的優化設計，以供參考。

1 工程概況

某水庫工程是以農業灌溉、城市防洪和城鎮供水為主，兼引水發電和生態旅游等功能的一項綜合性水利工程。壩址以上流域面積為79 km2，多年平均徑流量1.726×107m3，多年平均降水量835.9 mm。水庫校核洪水位840.50 m，總庫容8.65×106m3，正常蓄水位為837.50 m，相應庫容為8.19×106m3，最大壩高49.0 m。首部樞紐由混凝土面板堆石壩、右岸開敞式溢洪道和右岸取水兼放空隧洞等水工建筑物組成。工程等別Ⅳ等，工程規模小（一）型，其永久性主要建筑物為4級。

2 溢洪道工程地質條件

壩址溢洪道分布于右岸單薄山體埡口沖溝地帶，進口段橫切埡口地形，上游側坡度較陡，坡度53°，以下為斜坡、沖溝地形，坡度10°～15°，出口段為一級階地，地形緩，坡度2°～8°，長約300 m。溢洪道兩旁無高陡邊坡存在，自然邊坡穩定。

設計采用邊坡開挖坡比為：覆蓋層1∶1～1∶1.25.

J2ln1石英砂巖、砂質泥巖：強風化1∶1，弱風化1∶0.5～1∶0.75.

3 溢洪道建筑物結構優化設計

3.1 溢洪道建筑物優化布置

大壩采用混凝土面板堆石壩+右岸開敞式溢洪道。如果采用泄洪隧洞，施工相對復雜，布置上與導流洞有沖突。為了便于工程的運行和管理，溢洪道首選不設閘門的自由溢流方案，堰頂高程為正常蓄水位1 288.00 m。

根據壩址段地形地質條件，結合壩線的布置，將溢洪道布置在大壩右岸。右岸溢洪道由進水渠、控制段、泄槽段、消力池組成，總長238.35 m。絕大部分覆蓋層厚度都在3～5 m。進水渠沿山體開挖形成，長20.46 m，進口采用“八”字型，前緣寬度36.5 m，底面高程1 282.00 m。

溢0+000—0+009.000為控制段，長9 m，邊強厚1.5 m，堰頂凈寬20.0 m，堰頂高程與正常蓄水位同高1 288.00 m，不設閘門。溢流堰型式采用WES實用堰，堰面曲線方程為y=0.189×1.85，堰面曲線與1∶1的斜線相切，后接反弧段，反弧半徑為5 m，中心角為35.037°，后接泄槽段。

溢0+009.000—0+190.350為泄槽段，長181.35 m。溢0+009.000—0+034.000為漸變段，底寬15.0～20.0 m，底坡為20/1 000，溢0+034.000—0+040.250為過渡連接段，采用拋物線連接，拋物線方程為y=0.017x+0.012x2；溢0+040.250—0+124.000段，底寬15.0 m，底坡為420/1 000；0+124.000—0+129.509段為過渡鏈接段，采用圓弧鏈接，圓弧半徑為15.0 m；0+129.509—0+151.000段，底寬15.0 m，底坡為20/1 000；0+151.000—0+158.500段為過渡銜接段，采用拋物線連接，拋物線方程為y=0.02x+0.024x2；0+158.500—0+183.650段底寬15.0 m，底坡為500/1 000；0+183.650—0+190.350段為過渡銜接段，采用圓弧鏈接，圓弧半徑為15.0 m。溢0+190.350—0+228.350段為消力池段，寬度為15.0 m，邊墻厚度為1.5 m。出口接下游河道。

3.2 溢洪道建筑物結構計算

3．2．1 WES實用堰泄流能力計算

根據《溢洪道設計規范》（SL 253—2000）水力設計計算，開敞式WES實用堰泄流能力計算為：

式（1）（2）（3）中：Q為流量，m3/s；B為溢流堰總凈寬，m，定義B=nb；b為單孔寬度，m；n為閘孔數目；H0為計入行近流速水頭的堰上總水頭，m；g為重力加速度，9.81 m/s2；m為二維水流WES實用堰流量系數；c為上游堰坡影響系數；ε為閘墩側收縮系數；ξ0為中墩形狀系數；ξk為邊墩形狀系數；σs為淹沒系數。

波動及摻氣水位計算為：

式（4）中：h和hb為泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深；v為不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速；ξ為修正系數，可取1.0為1.4 s/m，流速大者取大值，取1.2.溢洪道泄流能力計算表及特征水位泄流計算成果如表1和表2所示。

表1 溢洪道泄流能力計算成果表

表2 特征水位泄量關系計算成果

從表2可知，在校核水位工況下P=0.2%，上游水位為1 291.70 m，相應的下泄流量為309.79 m3/s；在校核水位工況下P=2.0%，上游水位為1 290.78 m，相應的下泄流量為197.40 m3/s；在消能防沖工況下P=5.0%，上游水位為1 290.46 m，相應下泄流量為161.70 m3/s。

3．2．2 泄槽水面線計算

泄槽段均采用矩形斷面，三面采用混凝土襯砌防滲，水面線根據能量方程用分段求和法計算，即：

式（5）（6）中：Δl1-2為分段長度；h1和h2為分段始、末斷面水深，h1取泄槽首端斷面計算的臨界水深，a取1.05，q為單寬流量/（m3/s）；v1和v2為分段始、末斷面平均流速，m/s；α1和α2為流速分布不均勻系數，取1.05；θ為泄槽底坡角度；i為泄槽底坡，i=tgθ；為分段內平均摩阻坡降；n為泄槽槽身糙率系數，取0.017；為分段平均流速，=（v1+v2）/2，m/s；為分段平均水力半徑，m。通過計算，泄槽段各分段始末斷面水深計算成果如表3所示。

3．2．3 消能計算

設計采用下挖式消力池底流消能，按《溢洪道設計規范》（SL253—2000）計算消能防沖，設計采用20年一遇洪水標準計算，即：

式（7）（8）（9）中：d為池深，m；σ為水躍淹沒度，取1.05；h2為池中發生臨界水躍時的躍后水深，m；ht為消能池出口下游水的深度，m；Δz為消能池尾部出口水面躍落，m；Q為流量，m3/s；L為水躍長度，m；Fr1為收縮斷面費勞德數。

將表1、表2、表3各特性參數代入到式（7）（8）（9）中，計算得消能防沖洪水（P=5%）下泄流量Q=154.3 m3/s時，得到消能池深6.0 m，設計取6.0 m；池長37.58 m，設計取38.0 m。出口接下游河道，水深為1.76 m。邊墻高8.0 m，厚1.5 m。設計確定的WES實用堰結構尺寸，其泄流能力、消能防沖等均能滿足工程安全運行需求，符合規范要求。

表3 泄槽段水面線推算成果表

4 結束語

綜上所述，針對水庫溢洪道常出現的問題，應從地質條件、規劃布置、水利計算及結構計算等層層把關，保證工程安全經濟可行。在本工程中，設計采用了地質條件適應性強、工程量較省、安全可靠性和節能經濟性均較優的右岸開敞式溢洪道。經優化調整后，并結合泄流能力、泄槽水面線和消能防沖等對溢洪道細部結構進行了計算分析，結果表明，開敞式溢洪道的泄流能力和底流消能均能夠滿足規范要求，具有較高安全可靠性和技術經濟性。

［1］聶建云.試論某水庫溢洪道設計及優化［J］.地球，2014（04）.

［2］彭超.淺議小型水庫加固設計中的溢洪道優化設計［J］.黑龍江科技信息，2015（12）.

〔編輯：張思楠〕

TV651.1

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.112

2095-6835（2017）15-0112-03