張公龍水庫新增溢洪道安全復核

周靜雯

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510000)

0 引 言

泄水建筑物是水庫建設工程中樞紐設施，而溢洪道又是普遍應用的泄水建筑物。溢洪道的作用是對庫容難以容納的洪水進行宣泄，避免洪水的漫溢，確保水庫大壩的安全運行。另外，溢洪道的布置和設計是否科學合理除了涉及到水庫的安全外，還會影響到工程的整體造價。所以，工程設計人員必須以實事求是和科學的態度去布置設計水庫的溢洪道，以保證水庫的安全運行，提升整體的經濟效益。張公龍水庫是一座發電為主的中型水庫，工程為Ⅲ等，主要建筑物為3級，設計為0.40m的擋水安全加高，0.30m的泄洪安全加高。

1 工程概況

張公龍水庫的主體包括三個部分：大壩、電站廠房、發電引水隧洞。水庫大壩設計為壩頂高程173.70m的漿砌石重力壩，最高壩體處50.7m，壩頂長132.60m。最初設計左岸的非溢流壩段長度為44.80m，通過后期的除險加固，為增加泄流能力，則需新增一孔溢洪道，新增設的溢洪道布設在原來左岸非溢流壩段(0+029.80-0+045.80)上，設計為15m的總寬度，設定一孔，邊墩厚度和孔凈寬分別為2.00m和12m，設計堰頂高程162.00m，擋水閘門采用平板式，沒有布設檢修閘門。

2 張公龍水庫溢洪道的總體布置原則

該工程的溢流堰利用WES形實用堰，y=0.075814x1.85。將半徑為1m的圓弧段設置于進口前緣，與堰頂平段后接。閘頂設置交通橋和供檢修和工作的平臺。兩側邊墻1.40m厚度，出口平段高程143.00m，溢洪道底寬47.414m，出口寬2.03m。大壩現地為V字形峽谷，河兩岸呈現裸露的巖石，水流急，河床大，較直的壩址河道。該工程的新增溢洪道靠近岸坡，為了減緩洪水沖刷左岸岸坡的程度，設計中力求把水流規范到河床中間，確保壩基以及左岸坡的穩固性，該溢洪道利用窄縫消能的模式。其布置型式見圖1。

圖1 新增溢洪道平面圖

左邊墻從溢洪道堰面切點(A點)以6.866°收縮角往下游收縮至反弧段末端C點(C 點與溢洪道中心線距離為4m)，在反弧段末端C點以半徑R=22m、轉角θ=22.028°往下游作窄縫挑坎段圓弧邊墻(CD段，墻頂高程152.00m)，圓弧邊墻末端D點與 C-C斷面垂線距離為 8m;以 CD 圓弧段末端作切線往下游延伸6.05m 作直線邊墻，其中4m長邊墻頂高程為 152.00m，末端長2.05m 邊墻頂高程為 150.0m。

右邊墻從溢洪道堰面切點(A)以5.16°收縮角往下游收縮至下游出口斷面F點。

反弧段末端C點與溢洪道中心線距離為4.50m。

窄縫挑坎段邊墻長度為12.35m(CF段)，其中扭曲段邊墻長度為7m，其末端距離出口斷面長度為3m，扭曲段邊墻墻頂高程為150.0m，其末端斷面墻頂比底部擴寬0.80m，末端斷面邊墻斜坡面坡度為1∶0.13。

出口末端段長度為 3m，邊墻為斜坡面邊墻(梯形斷面)，坡面坡度為1∶7.50，墻頂高程為148.00m，并在距離出口斷面1m處以1∶4坡削角與出口斷面F點連接。

窄縫挑坎出口底寬為2.13m，新增溢洪道底部混凝土厚度為 0.50m-2m，邊墻厚度為1.50m。

在窄縫消能工末端底部設5m長，0.05m厚的混凝土鋪蓋。

3 張公龍水庫新增溢洪道的安全復核分析

3.1 泄水建筑物頂高程復核

在該泄水建筑物的頂高程設計中，釋放檢查洪水時，不得低于檢查洪水位和安全高程值；

蓄水時不得低于設計洪水位或正常水位加上波浪計算的高度和安全標高；

溢洪道與壩肩緊挨時，要保持大壩壩頂高程與緊控制段頂部高程的協調性；

必須按照SL744的相關規定進行波浪要素計算。波浪的計算高度應為累積頻率的1%加上波浪中心線與設計水位的差值。

張公龍水庫是3級建筑物、Ⅲ等的中型水庫，設計為0.40m的擋水安全加高，0.03m的泄洪安全加高；閘墩頂部的現狀控制段高程為173.30m。泄洪時：171.44(校核洪水位)+0.30=171.74m<173.30m；擋水時：168.86(設計洪水位)+1.46(波高)+0.40=171.72m<173.30m，所以，該控制段閘墩頂部高程完全能夠符合設計要求。

3.2 泄流安全復核

3.2.1 泄流能力

張公龍水庫大壩溢洪道布置設計為WES型實用堰。按照《溢洪道設計規范》(SL253-2018)，溢洪道泄流能力的計算公式按(A.2.1-1)進行，公式適用于H0/b≤1，當H0/b>1時，H0/b仍取值1。

(1)

式中：設定流量為Q，m3/s；設定溢流堰總凈寬為B，m，多孔狀態下為各孔凈寬之和；設定單孔寬為b，m；設定n為閘孔數目；設定計入行近流速水頭的堰上水頭為H0，m；設定g為重力加速度，m/s2,g=9.81m/s2；設定m為二維水流WES實用堰流量系數，采用2011年水工模型試驗平均值；設定c為上游堰坡影響修正系數，如果上游呈現鉛直的堰面，c=1；設定閘墩側收縮系數為ε；設定δ0為中墩形狀系數，該系數與淹沒度hs/H0和閘墩頭伸出上游堰面距離Lu有關；設定δk為邊墩形狀系數(如果直角矩形，k=1.0，如果折線或圓角形，k=0.70，流線型線形，k=0.40)；設定σs為淹沒系數，按照《水力計算手冊》(第二版)中圖3-3-5，取1。

3.2.2 溢流壩邊墻高度復核

1)泄槽水面線計算：

按照資料的數據，選擇《溢洪道設計規范》(SL253-2018)附錄A的相關計算公式，對洪水位實施計算設計以及校核洪水位工況下的溢洪道水面線，泄槽流動為非均勻流的明渠恒定，泄槽水面線用分段求合法應根據能量方程計算。

根據下面公式計算泄槽水面線。

(2)

可根據以下公式計算泄槽段水流摻氣水深：

(3)

式中：設定h為泄槽計算斷面水深；hb為摻氣后的水深，單位m；設定u為不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，m/s；ξ為修正系數，可取1.00-1.40s/m，流速越大取值越大流速大者取大值[1]。

2)側墻高程確定：

在張公龍水庫的2011年除險加固的工程中，因為本工程的溢洪道因為窄縫挑坎消能模式的特殊性，進行了特殊意義的水工模型試驗，該試驗資料真實，成果客觀，因此本工程溢洪道側墻高程采用該設計成果，詳見圖2。

圖2 校核洪水工況下壩面斷面水深分布圖

通過水工試驗的模型不難看出，在校核流量的情況下，溢洪道的邊墻高度完全符合設計要求。

3.2.3 溢洪道消能防沖復核

在張公龍水庫的2011年的整體工程復核中，因為本工程的新增溢洪道因為窄縫挑坎消能模式的特殊性進行了水工模型試驗，該試驗資料真實，成果客觀，所以本次的溢洪道消能防沖復核采用水工試驗模型成果。該模型試驗河道下游的動床區域為：下游200m長的河道到溢流壩下游出口斷面的范圍。從現場查勘成果可知，溢流壩下游附近區域河床呈現裸露的基巖，河床面露出的基巖為121-123mm的高程，地質條件較好，故溢洪道窄縫挑坎消能不影響壩腳安全。

3.3 溢洪道啟閉機室梁結構配筋計算

3.3.1 計算簡圖

溢洪道啟閉機室長和跨長都是16m，設有4根主梁的一跨為簡支梁結構；邊梁高和寬分別是1.30m和0.50m，為規格C25的混凝土結構；中部主梁梁高和寬分別為1.30m和0.50m?，F狀配筋詳見《張公龍水庫大壩應急除險工程竣工圖》[DZ132D.5-1-17新增溢洪道啟閉機室鋼筋圖(1/3)]及[DZ132D.5-1-18新增溢洪道啟閉機室鋼筋圖(2/3)]，啟閉機室184.50m高程結構布置圖見圖3。

圖3 啟閉機室184.5m高程主梁結構布置圖

3.3.2 計算工況及荷載

選擇開啟平板閘門時最不利工作狀況，復核計算啟閉機室184.50m高程平臺的主梁的配筋。主要承受荷載狀況如下：

邊部主梁：的人群荷載為3.00kN/m2，面板荷載4.26kN/m，地震荷載不在其內。中部主梁：人群荷載為3.00kN/m2，啟閉機基礎集中荷載P1為100kN，面板荷載6.86kN/m，啟閉機基礎集中荷載P2為100kN，啟閉機基礎集中荷載P3為100kN，啟閉機基礎集中荷載P4為100kN，地震荷載不在其內[2]。

3.3.3 計算方法

對溢洪道啟閉機室的邊部主梁、中部主梁進行設計計算，可以根據簡支梁實施計算，計算軟件采用《理正結構工具箱7.0PB6》。

3.4 新增溢洪道交通橋結構安全復核

3.4.1 計算簡圖

本工程溢洪道交通橋為簡支梁結構的12m的一跨；均采用C30混凝土結構，L1梁梁高和梁寬分別是1.20m和0.40m；L2梁梁高和梁寬分別為1.00m和0.30m。設計立交橋為171.70m的高程，交通橋及高程173.30m平臺結構布置圖見圖4?，F狀配筋詳見《張公龍水庫大壩應急除險工程竣工圖》[DZ132D.5-1-14新增溢洪道交通橋鋼筋圖]及[DZ132D.5-1-15新增溢洪道檢修平臺鋼筋圖]。

圖4 交通橋及檢修平臺結構布置圖

3.4.2 計算荷載

L1梁計算：人群荷載為3.00kN/m2，面板荷載6.26kN/m，地震荷載不在其中。L2梁計算：人群荷載為3.00kN/m2，面板荷載6.58kN/m，地震荷載不在其中。

3.4.3 計算方式

根據簡支梁的方式對L1梁、L2梁進行設計計算，計算軟件采用《理正結構工具箱7.0PB6》。

3.5 新增溢洪道壩段穩定及應力復核

通過計算得知，現狀新增溢洪道壩段各計算截面在正常蓄水位及設計洪水位工況的抗滑穩定計算安全系數均>3.0，各計算截面在校核洪水位工況的抗滑穩定計算安全系數均>2.50，各截面在各計算工況下的最大垂直應力均小于地基承載力，則新增溢洪道壩段在各工況下的抗滑穩定安全系數、基底應力均滿足規范要求[3]。

經與2011年《廣東省陽春市張公龍水庫大壩除險加固工程初步設計報告》新增溢流壩段穩定計算結果進行對比分析，本次計算與原設計主要差別是計算斷面結構調整，原加固設計的計算斷面壩后加長段內部為漿砌石，而根據加固設計的竣工圖，壩后加長段內部為混凝土；本次鑒定地質勘察鉆孔ZKM2在高程131.63m-135.13m段(孔深37.30m-40.80m段)，揭露到壩基混凝土墊層，則新增溢洪道壩段基底混凝土墊層厚度應為3.50m，原加固設計該段的鉆孔沒有鉆到基底，計算時采用了原設計圖墊層厚度約2m；本次鑒定地質報告推薦混凝土容重為22.20kN/m3，原設計采用值為22.9 kN/m3。由以上計算成果看來，本次新增溢洪道壩段的抗滑穩定安全系數、基底應力變化趨勢正常，計算方法可靠。

4 結 語

綜上所述，溢洪道建設是整體水庫建設中的重點和難點，工程的設計人員必須本著科學負責的態度，根據本工程的具體情況進行溢洪道的布置和設計，發揮積極的探索精神是至關重要的，因為某個工程獲得的經驗，不能完全照搬到其他工程上去，只能在實踐中取得豐富的經驗的基礎上，總結出內在的規律性，然后結合不同工程的實際情況進行合理的應用。所以，工程設計人員必須勇于進取，積極學習借鑒國內外最先進、最成熟的溢洪道設計工藝，不斷提升自身的設計水平，確保水庫溢洪道的布置設計能夠符合工程的要求。