槐樹關水庫開敞式溢洪道設計淺析

韋應堂，魏 凱

(甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

水庫泄洪設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，甚至會對水庫的安全造成威脅[1-5]。因此，如何處理好高速下泄的水流也是水庫設計中一項重要內容。

槐樹關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“L”型防浪墻，墻高4.2 m，總庫容為591萬m3。依據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252-2000)規定，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計過程進行詳細論述。

1 溢洪道地質條件

槐樹關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(C2)灰巖，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；應選擇有利的地形地質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定。為使水流順暢，只在進口的引渠段設彎道，引渠后的閘室控制段、泄槽段、消能設施等建筑物軸線均位于同一條直線上。

考慮到壩址區河谷狹窄，兩岸岸坡陡峭的地形特點，以及地質、水文和水庫運行方式等條件，槐樹關水庫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敞泄，需采取表孔和深孔聯合泄洪的方式。溢洪道規模、壩頂高程與工程投資之間存在著一定的關系，找出這一關系，確定在最小投資下的溢洪道的規模與壩頂高程的結合點即成為確定泄洪系統的規模。通過調洪演算，確定在校核流量時不同的溢洪道寬度下的校核洪水位，從而計算出相應的壩頂高程，并進一步計算出不同規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

通過調洪演算和進水閘室的經濟技術比較，確定堰頂高程為2547.92 m，控制堰寬度為8.0 m時建筑物設計比較合理經濟。

3 溢洪道水力設計

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，根據規范取為1.0；m為流量系數，取為0.44；ε為側向收縮系數，取為1.0；σs為淹沒系數，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～流量關系曲線見圖1。

圖1 溢洪道水位～泄量關系計算曲線

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

根據溢洪道設計規范，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(可取1.0 s/m～1.4 s/m)；v為不摻氣時計算斷面流速，m/s。

摻氣水深計算結果(校核情況)，確定溢洪道的側墻高度為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，這顯然是不經濟的，再加上下游河床地質條件較好，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驗公式進行估算，經計算，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，由《規范》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混凝土結構，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計高程一致。閘室采用C20鋼筋混凝土結構。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漸變為6.0 m，收縮角為9°。漸變段采用現澆C30鋼筋砼結構，底板襯砌厚度0.8 m，側墻襯砌厚度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。泄槽段采用現澆C30鋼筋砼結構，底板襯砌厚度0.8 m，側墻襯砌厚度0.5 m。

溢洪道出口挑流段水平長度15.205 m，采用連續式挑流鼻坎，寬度6.0 m，挑坎半徑為20 m，挑角25°，設計挑距60 m。挑流鼻坎段采用C25鋼筋砼結構，挑坎基礎座落在基巖上，反弧中心底板襯砌厚度2.0 m，側墻厚度為0.5 m。挑坎末端設護坦長度10 m，采用現澆C15砼襯砌，底板及側墻襯砌厚度均為0.5 m。具體見圖2。

圖2 溢洪道縱剖面圖

5 結論與建議

槐樹關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敞泄，需采取表孔和深孔聯合泄洪的方式。溢洪道規模、壩頂高程與工程投資之間存在著一定的關系，通過調洪演算，確定在校核流量時不同的溢洪道寬度下的校核洪水位，從而計算出相應的壩頂高程，并進一步計算出不同規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，建筑物設計比較合理經濟。有效地統籌了消能與投資之間的關系。