混凝土重力壩溢流壩段設計研究

陳 樂

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

本次研究的水壩水庫是為供某工程工業用水(年平均流量1.5 m3/s)為主，同時補償下游農田灌溉用水量3 000×104m3，以及防洪發電養魚等綜合利用水利樞紐工程，要求滿足工業供水保證率97%，農田灌溉保證率為75%。該工程為Ⅲ等工程，主要建筑物是3級建筑物。由于下游有重要城鎮，故選取設計洪水百年一遇，校核洪水為千年一遇。

設計正常蓄水位605 m，總庫容0.76×104m3。大壩為重力壩，壩頂高程613.8 m。泄水壩段設鋼閘門。

2 非溢流壩段的設計

2.1 壩頂高程

根據《混凝土重力壩設計規范》(SL 319-2005)的規定，壩頂高程應該高于校核洪水位，位于壩頂上游的防浪墻的高程應該高于波浪頂的高程，正常蓄水位或校核洪水位的高差用下式計算，選擇兩者之中防浪墻頂高程的高者作為選定高程。

△h=h1%+hz+hc

(1)

式中：h1%為波浪高度；hz為波浪中心線至靜水位的高度；Hc為安全加高。

下面分為正常蓄水位、設計洪水與校核洪水3種情況進行計算：

2.1.1 波浪爬高

該水壩水庫的吹程D=1 000 m，多年最大風速為20 m/s，多年平均最大風速10 m/s。壩高小于50 m的壩可以建在弱風化層的中部或者上部的基巖，中壩址區弱風化層厚為1～7 m，經考察中壩址Ⅲ-Ⅲ′的風化程度，確定開挖線的高程565 m。正常蓄水位和設計洪水時宜采用相應最大風速，即為20 m/s；校核情況宜采用最大風速的多年平均值，即為10 m/s，帶入下式得：

(2)

(3)

設計洪水位下：

校核洪水位下：

故得到：設計h1%=0.87 m

校核h1%=0.359 6 m

2.1.2 波浪中心線與靜水位之間高度

根據規范有：

(4)

其中：H為擋水建筑物迎水面前的水深,校核情況H=47.59 m，設計情況H=45.56 m。帶入得設計hz=0.302 m，校核hz=0.103 m。

2.1.3 安全加高

見表1。

表1 混凝土壩的安全加高

該水壩水庫安全級別為二級，所以設計和校核工況下的安全加高分別為0.5和0.4 m。

2.1.4 求△h

設計工況:

△h=h1%+hz+hc=0.87+0.302+0.5=1.672 m

校核工況:

△h=h1%+hz+hc=0.359 6+0.103+0.4=0.863 m

2.1.5 確定高程

設計壩頂高程=設計洪水位+△h=610.56+1.672=612.232 m

校核壩頂高程=設計洪水位+△h=612.59+0.863=613.453 m

選取其中較大者，由于防浪墻高1.2 m，故取壩頂高程為613.8 m，同時滿足壩頂高程高于校核洪水位的要求。

2.2 壩體剖面設計

以上確定了壩頂高程為613.8 m，壩底高程為565 m，從而可以確定壩高為H=613.8-565=48.8 m。按照規范的要求，壩頂寬度取b=H(8～10)%,即b=48.8×(8～10)%=(3.90～4.88)m，并且b不小于3 m。由于壩頂有交通要求，即為左岸排沙底孔的建設管理提供相關材料，故壩寬取5 m。溢流壩段設交通橋與兩側壩頂相連接。壩底寬B/H=0.7～0.9，所以壩底寬B=(34.16～43.92)m。

最后確定的斷面尺寸如下：

上游壩坡為折坡，折坡點位于壩高24 m處，在此以上壩坡鉛直，以下的壩坡坡率n=0.2，下游壩坡坡率m=0.8，基本三角形頂點高程取為校核洪水位613.3 m，從而可推出壩底寬43.84 m的非溢流壩橫斷面，見圖1。

圖1 非溢流壩橫斷面

3 溢流壩段設計

溢流壩段是重力壩中至關重要的泄水建筑物，是用來宣泄洪水、保證大壩安全的核心。溢流壩段的設計如下。

3.1 溢流壩的堰面體型設計

水壩溢流壩段采用實用堰，溢流面的構成分為頂部曲線、中間直線段、反弧段3部分。我國多采用WES堰面曲線，WES壩面曲線具有流量系數較大并且剖面較瘦、工程量比較省、壩面曲線容易用方程控制等優點，見圖2。

圖2 WES曲線示意圖

表2 堰面曲線表

代入數據得XC=5.06YC=2.18 為切點坐標。直接段后邊接反弧段，采用挑流消能式，挑流鼻坎高程580 m，下游的最高水位579.6 m,挑角取為θ2=26°。

鼻坎上水深：

Q表=Q總-Q底

=3 543.96-220=3 323.96 m3/s

=48.17 m/s

初步確定反弧半徑為R=12 m，此時的反弧最低點高程?2為：

?2=?1+Rcosθ2-R=580+12×cos26°-12

=578.8 m

578.99)1.5=0.08

=0.94

=28.24 m/s

由《混凝土重力壩設計規范》(DL 5108-1999)可得,反弧段為保證挑流條件，反弧半徑R取4～10hc，故反弧半徑取R=12 m滿足規范要求。

得圓心高程：

?O=?1+Rcosθ2=580+12×cos26°

=590.8 m

yO=605-590.8=14.2 m

所以切點D的坐標為：

yD=Rcosθ1+yO=12×0.625+14.2

=21.7 m

xD=xc+(yD-yc)m=5.06+(21.7-2.18)×

0.8=20.68 m

所以圓心：

xO=xD+Rsinθ1=20.68+12×0.78=30.04

反弧段圓心坐標(xo,yo)為 (30.04,14.2)。

3.2 挑流消能水利要素的計算

鼻坎上的削角厚度取0.5 m，堰頂上游側圓弧段水平距離為x3=1.692 m，坎頂至堰頂的水平距離為：

X坎-X頂=X0+Rsinθ2=25.4+12×sin26°

=30.7

則整個溢壩壩基總寬度為：

B=1.692+30.7+2+2.5=36.9

將溢流壩段上游面與非溢流壩段上游面對齊，溢流壩段下游端收縮在非溢流壩段下游端43.84-36.9=6.9 m，挑流消能水力要素包含水舌挑射距離和沖刷坑深度。

計算公式為：

=αq0.5H0.25

其中：θ為挑射角度，取為26°；V1為坎頂水面流速，V1=24.55 m/s；h1為坎頂平均水深，h1=h/cosθ2=3.38/cos26°=3.76 m；h2為坎頂至河床面的高差，h2=580-565=15 m；α為沖坑系數，取為1.1；q為單寬流量，q=48.17 m3/s·m；H為上下游水位差：H=612.59-579.6=32.99 m。

帶入求得：L=73.9 m，tk=18.30 m

所以河床沖擊坑深tk=18.3-(579.6-565)=4.9 m；L/tk=73.9/4.9=15.08>5.0，符合要求，所以不會對壩體產生影響。

3.3 排沙底孔設計

壩身泄水孔的進口全部淹沒在水下，用來排沙和泄水。在壩高為580 m處設一個排沙底孔，尺寸為寬3.5 m、高3 m，排沙底孔兼做泄洪和農田灌溉作用。水庫底孔為有壓泄水孔，由進口段、孔身段、壓坡段和出口段組成。工作門布置在出口，閘門采用弧形閘門。事故檢修門設在進口段之后，檢修閘門采用平板閘門。壓坡段位于工作門上游，事故檢修門槽段與壓坡段之間設有平坡段。

1) 進口段。根據水工建筑物的要求，進口段的曲線采用α=1/4橢圓。

2) 閘門與閘門槽。進口段的后面布置檢修閘門，為了不影響壩面交通，啟閉機采用活動式的，檢修閘門布置為平板閘門,寬為4.6 m，高度為3.5 m，厚為1 m，采用矩形收縮型門槽。

3) 平壓管和通氣孔。底孔為有壓，所以通氣孔的作用是在孔內沖水的時候排氣，檢修時補氣。平壓管直徑取為D=0.6 m，通氣孔尺寸取為D=0.8 m。平壓管與上游水庫連通，通氣孔在檢修閘門和工作閘門之間，與瀝青井相通。

4) 孔身。平坡的斷面采用矩形斷面，斷面尺寸設為3.5 m×3 m。

5) 漸變段。坡度采用1∶7，面積收縮比采用0.90，收縮前孔口尺寸3.5 m×3 m，收縮后變為3.5 m×2.7 m，壓坡段長度2.1 m。

6) 出口消能段。出口消能采用挑流消能方式，反弧段設置為單圓弧式，末端是挑坎，反弧半徑為20 m，挑射角為21°，鼻坎高程為581.0 m。

3.4 工業取水管設計

該水壩是以供工廠工業用水為主，凈用水量為1.5 m3/s，應鋪設管道從水庫中取水。按照沿途損失為10%計算，則需要的取水流量為Q=1.67 m3/s。同時要求工業供水保證率97%，則取水入口設立在中間壩段，中心高程為587 m，工業供水管道自由出流。根據公式：

式中：Q為管中流速；μ為管道系統流量系數,取0.98；A為管道斷面面積；H為管道水頭，在最不利情況時H=588-587.0=1 m。

管道斷面總面積為 ：

=0.38 m2

所以每條管道直徑0.6 m。綜合考慮供水樞紐布置等因素，將供水管布置在右岸壩段。

4 結 語

混凝土重力壩溢流壩段設計是混凝土重力壩設計的重點，本文以某水壩水庫為例，對其溢流壩段的設計過程以及設計方法進行介紹，可為其他相似重力壩的設計提供參考。