陡河水庫溢洪道結構安全分析

崔立軍

（唐山市陡河水庫事務中心，河北 唐山 063021）

陡河水庫溢洪道位于左壩頭鳳山山坡，軸線距輸水洞左側50 m，于1971年水庫續建時完成，1988年提高保壩標準時對下游挑坎和陡槽邊墻進行了加固，由引水渠、閘室（長14.5 m）、陡槽（長151.0 m）、挑坎段（長21.0 m）和尾水渠組成。引水渠渠底高程33.0 m，溢流堰采用開敞式實用堰，堰頂高程34.0 m，下游趾處高程32.0 m。閘室寬25.2 m，凈寬12.0 m×2，設有2扇寬12.0 m、高7.0 m升臥式鋼閘門，采用2臺QPQ-2×25 t啟閉機控制。閘室下游接陡槽，陡槽末端設挑坎段，坎頂高程28.5 m，坎下游設混凝土防沖齒墻，齒墻底高程15.0 m，尾水渠渠底高程23.0 m。

溢洪道防洪調度運用方式為：起調水位34 m，庫水位在300 a一遇洪水位（40.37 m）以下，當雙唐區間洪水小于400 m3/s時只用輸水洞泄洪，當區間洪水大于400 m3/s時水庫關閘錯峰；庫水位超過300 a一遇洪水位時，輸水洞和溢洪道敞開泄洪。

1 控制段閘墩頂高程分析

根據《溢洪道設計規范》（SL253-2018），溢洪道控制段的閘墻頂高程，泄水時不應低于校核洪水位加安全超高值，擋水時不應低于最高擋水位加波浪的計算高度和安全超高值。溢洪道為1級建筑物，泄洪時安全超高0.5 m，擋水時安全超高0.7 m。經計算，300 a一遇洪水位時，閘墩頂高程41.82 m；校核洪水位加安全超高0.5 m時，閘墩頂高程43.31 m。溢洪道現狀閘墩頂高程43.30 m，滿足規范要求。

2 泄流安全分析

根據水庫調洪成果，300 a一遇洪水位為40.37 m，1 000 a一遇設計水位為41.05 m，10 000 a一遇校核水位為42.81 m，對3種水位下溢洪道的泄流能力進行復核。

2.1 溢洪道泄流能力分析

溢洪道控制閘始終為自由式曲線型實用堰流，泄流能力按《溢洪道設計規范》（SL253-2018）中公式計算：

式中：c為上游坡修正系數；m為流量系數；δs為淹沒系數；ε為閘墩側收縮系數；B為溢流堰總凈寬（m）；H0為計入行進流速水頭的堰上水頭（m）；g為重力加速度（m/s2）。

經計算，溢洪道閘門全開，300 a一遇洪水位時，泄量為699 m3/s；1 000 a一遇設計水位時，泄量為802 m3/s；10 000 a一遇校核水位時，泄量1 084 m3/s，泄流能力滿足防洪要求。

2.2 消能防沖分析

2.2.1 挑距計算

溢洪道采用挑流消能，挑流鼻坎頂高程28.5 m，反弧半徑20.0 m，下游尾水渠渠底高程23.0 m，按照《溢洪道設計規范》（SL253-2018）附錄A.4公式進行計算：

式中：L為自鼻坎末端算起至下游河床床面的水舌外緣挑距（m）；v1為坎頂水面流速（m/s），按鼻坎處平均流速v的1.1倍計；θ為挑流水舌水面射出角（°）；h1為坎頂法向水深（m）；h2為坎頂至河床面高差（m）；g為重力加速度（m/s2）。

2.2.2 下游沖坑以下水舌長度計算

參照《水利計算手冊》（第二版）公式4-3-8計算：

式中：Lc為河床面以下的水舌水平投影長度（m）；t為沖刷坑深度（m）；β為水舌外緣與下游河床面的夾角（°）。

2.2.3 沖坑深度計算

式中：T為最大水墊深度減去下游水深的沖坑深度（m）；q為單寬流量（m2/s）；Z為上下游水位差（m）；K為沖坑系數，破碎圍巖取1.5。

經計算，300 a一遇洪水時沖坑深度為8.74 m，總挑距36.77 m，沖刷坑上游坡度取1∶4，沖坑上游影響范圍距離鼻坎1.81 m。鼻坎下游設有防沖齒墻，底高程15.0 m，當溢洪道下泄300 a一遇洪水、1 000 a一遇設計洪水、10 000 a一遇校核洪水時，沖坑均不會影響挑流設施安全。經分析，溢洪道消能防沖設施滿足調度運行安全要求。

2.3 泄槽邊墻頂部高程分析

計算條件如下：①計算流量。溢洪道建成至今尚未泄過水，1978年水工模型試驗值比計算值偏大，差別在5%以內。從安全考慮，本次流量復核采用1978年水工模型數據，Q設=835 m3/s，Q校=1 126 m3/s。②泄槽工程布置。陡槽由收縮段、陡坡段、擴散段組成，總長151.0 m，長度、寬度、坡度分別是40 m、25.2 m（起始寬度）、1/50；86 m、15.3 m、1/150；25 m、21.4 m（末端寬度）、1/125。③泄槽邊墻超高。校核工況取0.5 m，設計工況取1.0 m。

2.3.1 起始水深計算

泄槽上游接實用堰，泄槽水面線計算起始斷面定在堰下收縮斷面，用能量方程試算得到，按《溢洪道設計規范》（SL253-2018）中的公式計算：

式中：q為起始計算斷面單寬流量（m2/s）；Ho為起始計算斷面渠底以上的總水頭（m）；θ為泄槽底板與水平面的夾角（°）；h1為起始計算斷面水深（m）；φ為起始計算斷面流速系數，取0.95；g為重力加速度（m/s2）。各控制標準情況下起始斷面水深計算結果，詳見表1。

表1 起始斷面水深計算成果

2.3.2 泄槽段水面線計算

水面線根據能量方程，按《溢洪道設計規范》（SL253-2018）分段求和法計算，公式為：

式中：Δl1-2為分段長度（m）；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）；α1、α2為分段始末斷面流速分布不均勻系數，取1.05；θ為泄槽底坡角度（°）；g為重力加速度（m/s2）；i為泄槽底坡；為分段內平均摩阻坡降。

2.3.3 摻氣水深及兩岸墻高計算

泄槽段邊墻墻高由5 000 a一遇洪水最大泄量控制。摻氣水深按《溢洪道設計規范》（SL253-2018）附錄A.3.2公式估算：

式中：h為不計入波動及摻氣的斷面的水深（m）；hb為計入波動及摻氣的斷面的水深（m）；v為不計入波動及摻氣的斷面的平均流速（m/s）；ξ為修正系數，取1.0。

2.3.4 分析結果

經計算，1 000 a一遇設計洪水情況下，現有邊墻頂部高程滿足要求；10 000 a一遇校核洪水情況下，現有邊墻頂部高程不滿足超高要求，但摻氣后水深基本不出槽。從正常運用情況考慮，現有邊墻頂部高程滿足運行要求。

3 溢洪道結構強度與穩定分析

3.1 閘墩穩定分析

（1）計算工況。正常運用情況為設計水位40.37 m，溢洪道閘門關閉，排水系統有效；設計水位40.37 m，溢洪道閘門關閉，排水系統失效。非常運用情況為設計水位40.37 m，溢洪道閘門關閉，地震動峰值加速度0.20 g。

（2）抗滑穩定安全系數采用抗剪斷強度公式計算：

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；f′為基礎底面與地基之間的抗剪斷摩擦系數，取0.7；C′為基礎底面與巖石地基之間的抗剪斷粘結力（kPa），取300 kPa；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載（kN）；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載（kN）；A為基礎底面面積（m2）。

（3）地基應力計算公式為：

式中：∑G為豎向力之和（kN）；A為基礎底面的面積（m2）；e為偏心距（m）；l為基礎底長（m）。

根據《溢洪道設計規范》（SL253-2018），當采用抗剪斷強度公式進行抗滑穩定計算時，其安全系數K在基本組合時應大于或等于3.0、特殊組合Ⅱ（地震情況）時應大于或等于2.3。經分析，中墩抗滑穩定和地基反力均滿足要求；邊墩抗滑、抗傾覆穩定及地基應力滿足要求。

3.2 閘室結構分析

3.2.1 中墩強度分析

計算工況為正常運用情況，水庫水位40.37 m，閘門關閉。

（1）門槽配筋計算。門槽頸部承受的壓力計算公式為：

式中：A1為門槽頸部前閘墩水平截面積（m2）；A為閘墩水平截面積（m2）；P為沿閘墩高度為1 m的門槽上左、右閘門傳來的水壓力（kN）。

（2）門槽頸部所產生的拉應力計算公式為：

式中：P1為門槽頸部承受的壓力（kN）；b為門槽底寬（mm）。

經計算，得出σ1=0.75 N/mm2，小于R200混凝土允許拉應力1.1 N/mm2。根據溢洪道中墩鋼筋竣工圖，閘墩門槽配筋為4φ25（5號鋼筋），故原設計強度滿足要求。

（3）中墩門槽頸部的截面尺寸分析。根據抗裂強度要求，按不允許出現裂縫的軸心受拉構件計算：

式中：Ns為由荷載標準值按荷載效應長期組合計算的軸向力值（kN），取374.4 kN；αct為混凝土拉應力限制系數，對荷載效應的長組合取0.85；ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值（N/mm2），取1.59 N/mm2；AO為換算截面面積（m2），取門槽沿閘墩高1 m的斷面面積，不考慮鋼筋換算面積，取0.5 m2。

經計算，得出αct ftkA0=637.5 kN＞Ns=374.4 kN，閘墩門槽頸部的截面尺寸滿足強度要求。

（4）中墩底部最大應力及門槽混凝土承壓強度分析。設計水位下溢洪道單孔泄洪時，中墩底部側向最大應力選取閘門槽處斷面計算：

經計算，中墩底部最大應力及門槽混凝土配筋滿足強度需要。

3.2.2 機架橋安全分析

機架橋主梁為簡支T型梁，是鋼筋混凝土結構，底寬0.25 m，高1.2 m，翼緣板厚0.15 m，鋼筋采用5號鋼筋，混凝土為R250。根據《水工混凝土結構設計規范》（SL/T 191-1996），機架橋為1級建筑物，結構重要性系數為1.1，計算配筋面積為6 908 mm2，現配受拉鋼筋為8φ30+2φ25，面積為6 637 mm2，計算配筋面積與實際配筋面積差值小于計算配筋面積的5%，滿足設計要求。

3.2.3 泄槽底板穩定分析

泄槽全長151.0 m，分為3段，坡降分別為1∶50、1∶150、1∶125。底板均設有砂漿錨桿，錨桿為L120 cm、φ19＠200 cm。底板下設縱橫向排水管，橫向排水管預埋φ20缸瓦花管；縱向排水管中間為排水帶25 cm×25 cm，兩側設φ34混凝土濾水管，中心線距離底板高程30 cm。泄槽底板采取了有效的防滲、排水、錨固等措施，滿足穩定要求。

4 結論

陡河水庫溢洪道于1971年水庫續建時完成，1988年提高保壩標準時對下游挑坎和陡槽邊墻進行了加固，建成至今尚未過流。經復核，溢洪道閘室結構的穩定性能滿足規范要求，結構內力分析和配筋計算均符合規范要求；泄流能力滿足調度運行要求，消能防沖滿足要求；閘室抗震穩定性及結構強度滿足規范要求。