槐樹關(guān)水庫開敞式溢洪道設(shè)計淺析

韋應(yīng)堂，魏 凱

(甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

水庫泄洪設(shè)計是其整體安全的重要組成部分，目前溢洪道是水庫工程應(yīng)用最普遍的泄水建筑物。由于溢洪道的特性，其在泄洪時會伴隨著特別大的能量，若不采取一些消能措施，或者未做好上下游水流的銜接，可能會造成水庫下游沖刷，不但影響下游的河道生態(tài)，甚至?xí)λ畮斓陌踩斐赏{[1-5]。因此，如何處理好高速下泄的水流也是水庫設(shè)計中一項重要內(nèi)容。

槐樹關(guān)水庫為臨夏市城市供水工程水源工程，水庫大壩壩型為砼面板堆石壩，大壩位于槐樹關(guān)河入大夏河河口上游約21 km處，混凝土面板堆石壩壩頂高程2548.96 m，最大壩高63.96 m，壩頂長度120.8 m，壩頂寬度8 m。壩頂設(shè)“L”型防浪墻，墻高4.2 m，總庫容為591萬m3。依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252-2000)規(guī)定，水庫等級為Ⅳ等小(一)型工程。岸邊開敞式溢洪道具有較強的超泄能力，運行管理較方便，對樞紐長期運行安全有一定好處，表孔泄洪方式主要布置了左岸開敞式溢洪道。深孔泄洪方式主要布置了右岸有壓式輸水泄洪洞，由溢洪道和輸水泄洪洞共同渲泄洪水。本次研究僅對溢洪道設(shè)計過程進行詳細論述。

1 溢洪道地質(zhì)條件

槐樹關(guān)水庫溢洪道布置于左岸，溢洪道進口高程2539 m，出口高程2504 m，總長約171.88 m，前進方向為NE37°。溢洪道進口段為坡積塊碎石層，鉛直厚度約10 m～14.0 m，后段巖性石炭系中統(tǒng)(C2)灰?guī)r，巖體較完整，出口段局部為坡積碎石層，厚約3.0 m～5.0 m。由于溢洪道邊坡為基巖邊坡，其巖體完整，溢洪道邊坡較穩(wěn)定。

2 溢洪道方案比選

溢洪道的軸線選擇考慮了以下原則：滿足樞紐的總體布置要求；應(yīng)選擇有利的地形地質(zhì)條件布置在岸邊或埡口，并宜避免開挖而形成高邊坡；考慮施工及運用條件；溢洪道的進出水口的布置，應(yīng)使水流順暢；當溢洪道靠近壩肩布置時，其布置及泄流不得影響壩肩及岸坡的穩(wěn)定。為使水流順暢，只在進口的引渠段設(shè)彎道，引渠后的閘室控制段、泄槽段、消能設(shè)施等建筑物軸線均位于同一條直線上。

考慮到壩址區(qū)河谷狹窄，兩岸岸坡陡峭的地形特點，以及地質(zhì)、水文和水庫運行方式等條件，槐樹關(guān)水庫500 a一遇洪水洪峰流量為722 m3/s，要使大的洪峰流量短時間內(nèi)敞泄，需采取表孔和深孔聯(lián)合泄洪的方式。溢洪道規(guī)模、壩頂高程與工程投資之間存在著一定的關(guān)系，找出這一關(guān)系，確定在最小投資下的溢洪道的規(guī)模與壩頂高程的結(jié)合點即成為確定泄洪系統(tǒng)的規(guī)模。通過調(diào)洪演算，確定在校核流量時不同的溢洪道寬度下的校核洪水位，從而計算出相應(yīng)的壩頂高程，并進一步計算出不同規(guī)模組合下的工程投資，見表1。

表1 溢洪道寬度與工程投資分析比較表

通過調(diào)洪演算和進水閘室的經(jīng)濟技術(shù)比較，確定堰頂高程為2547.92 m，控制堰寬度為8.0 m時建筑物設(shè)計比較合理經(jīng)濟。

3 溢洪道水力設(shè)計

3.1 溢流堰過流能力計算

溢流堰采用WES實用堰型式，實用堰泄流能力計算公式為：

式中：Q為流量，m3/s；c為上游堰坡影響系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取為1.0；m為流量系數(shù)，取為0.44；ε為側(cè)向收縮系數(shù)，取為1.0；σs為淹沒系數(shù)，取為1.0；B為溢流堰總凈寬，8.0 m；H0為計入行進流速水頭的堰上總水頭，m。

設(shè)計控制堰寬為8.0 m，堰頂高程為2539.00 m，校核洪水位為2547.92 m，計算得最大泄量為415.08 m3/s。溢洪道水位～流量關(guān)系曲線見圖1。

圖1 溢洪道水位～泄量關(guān)系計算曲線

3.2 水面線計算

計算采用水利水電工程計算程序集V3.1在計算機上進行逐段試算，計算結(jié)果(校核情況)見表2。

表2 溢洪道水面曲線計算表

3.3 摻氣水深計算

根據(jù)溢洪道設(shè)計規(guī)范，泄槽水流摻氣水深按照以下公式計算：

hb=(1+ξv/100)h

式中：hb為摻氣后的水深，m；h為計算斷面水深，m；ξ為修正系數(shù)(可取1.0 s/m～1.4 s/m)；v為不摻氣時計算斷面流速，m/s。

摻氣水深計算結(jié)果(校核情況)，確定溢洪道的側(cè)墻高度為4.51 m～7.59 m。

3.4 消能計算

從溢洪道下泄的水流，具有單寬流量大、能量高度集中的特點，為了消除下泄水流多余的能量，在溢洪道的陡坡后需考慮做消能設(shè)施。本工程下游水深較小，如采用底流式消能，則需很大的池深及池長，這顯然是不經(jīng)濟的，再加上下游河床地質(zhì)條件較好，所以溢洪道后的消能方式采用挑流式消能。

(1)挑流射程L

挑流射程由下列公式計算：

式中：L為挑流鼻坎末端至挑流水舌外緣的距離，m；v1為鼻坎坎頂水面流速，可按鼻坎處平均流速v的1.1倍，m/s；h1為挑流鼻坎末端法向水深，m；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m；θ為挑流水舌水面出射角，(°)。

經(jīng)計算，挑流鼻坎末端至挑流水舌外緣的距離L=59.98 m。

(2)沖刷坑深度T的估算

影響沖刷坑深度的因素較多，工程上常采用下列經(jīng)驗公式進行估算，經(jīng)計算，沖刷坑深度T=7.58 m。

T=kq1/2Z1/4

式中：T為自下游水面至坑底最大水墊深度，m；k為綜合沖刷系數(shù)，由《規(guī)范》查表可得k=1.4；q為鼻坎末端斷面單寬流量，m3/(s·m)；Z為上下游水位差，m。

(3)沖刷坑后坡i計算

經(jīng)計算，沖刷坑后坡i=0.127，小于許可的最大臨界后坡i=1/4，故沖刷坑不會危及到壩身的安全。

4 溢洪道布置

溢洪道由引水渠段、閘室段、漸變段、泄槽段、挑流鼻坎及護坦段等組成，軸線總長171.88 m。軸線距左壩肩和壩坡平均約15 m，進口位于距壩軸線約45 m的上游岸坡上，出口位于距壩軸線下游約130 m處。溢洪道最大流速23.06 m/s，最大泄洪流量415.08 m3/s。

明渠引水渠段長43.57 m，此段在平面上呈彎道型布置，梯形斷面，底寬由19.5 m漸變至8.0 m，引水渠底高程2535.5 m，采用C15混凝土結(jié)構(gòu)，底板襯砌厚度0.3 m。

工作閘室段長26.15 m，底寬8.0 m。閘墩頂部同大壩防浪墻設(shè)計高程一致。閘室采用C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。堰型為實用堰，采用WES剖面，堰面曲線方程y=x1.85/12.295，下游坡度1∶0.8，末端采用反弧段與下游閘后漸變段相接，反弧半徑15 m。堰頂高程2539.00 m，堰頂設(shè)1孔檢修閘門和1孔工作閘門，孔口尺寸為8.0 m×5.5 m(寬×高)。工作閘門為弧形門控制，液壓啟閉，檢修閘門為平板閘門，2×250 kN卷揚式啟閉機啟閉。溢洪道控制堰前端的底板進行帷幕灌漿，帷幕灌漿深度灌至透水性≤5Lu的基巖以下5 m，右側(cè)帷幕灌漿范圍灌至與左壩肩帷幕連接，溢洪道最大帷幕深度11 m。

閘后漸變段水平長度12.0 m，縱坡i=1/3.33，底寬由8.0 m漸變?yōu)?.0 m，收縮角為9°。漸變段采用現(xiàn)澆C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)，底板襯砌厚度0.8 m，側(cè)墻襯砌厚度0.5 m。

泄槽段水平長度64.95 m，縱坡i=1/3.33。泄槽段橫斷面為矩形，底寬6.0 m，高度7.1 m～4.8 m。泄槽段采用現(xiàn)澆C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)，底板襯砌厚度0.8 m，側(cè)墻襯砌厚度0.5 m。

溢洪道出口挑流段水平長度15.205 m，采用連續(xù)式挑流鼻坎，寬度6.0 m，挑坎半徑為20 m，挑角25°，設(shè)計挑距60 m。挑流鼻坎段采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)，挑坎基礎(chǔ)座落在基巖上，反弧中心底板襯砌厚度2.0 m，側(cè)墻厚度為0.5 m。挑坎末端設(shè)護坦長度10 m，采用現(xiàn)澆C15砼襯砌，底板及側(cè)墻襯砌厚度均為0.5 m。具體見圖2。

圖2 溢洪道縱剖面圖

5 結(jié)論與建議

槐樹關(guān)水庫溢洪道下游水深較小，泄洪消能問題突出。要使大的洪峰流量短時間內(nèi)敞泄，需采取表孔和深孔聯(lián)合泄洪的方式。溢洪道規(guī)模、壩頂高程與工程投資之間存在著一定的關(guān)系，通過調(diào)洪演算，確定在校核流量時不同的溢洪道寬度下的校核洪水位，從而計算出相應(yīng)的壩頂高程，并進一步計算出不同規(guī)模組合下的工程投資，確定堰頂高程為2539.0 m，控制堰寬度為8.0 m時，建筑物設(shè)計比較合理經(jīng)濟。有效地統(tǒng)籌了消能與投資之間的關(guān)系。