某水庫溢洪道除險加固工程設計要旨

劉連廣

（商丘市睢陽區水利局，河南 商丘 476100）

1 工程概況

某水庫建成于1978 年。溢洪道位于水庫大壩左側，為開敞式梯形堰，原設計堰頂高程為143.40 m，因水庫興建時溢洪道未開挖到位，現狀堰頂高程僅至144.20 m，底寬0.50 m，最大下泄流量3.70 m3/s。溢洪道泄流能力不滿足水庫防洪要求，未護砌，無消能設施，不能安全泄洪。

2 溢洪道工程設計要旨

2.1 進口段工程設計

進口段（樁號0+022～0+032）長10 m，底坡為1∶25 的倒坡，進口高程143 m，出口高程143.40 m。底寬由10 m漸變為4 m。底部采用厚0.30 m的C20混凝土護砌，下鋪0.10 m厚C10混凝土墊層，兩側邊墻為C20混凝土重力式八字墻。

2.2 控制段工程設計

控制段（樁號0+032～0+042）長10 m，堰頂寬4 m，堰頂高程143.40 m，底部采用厚0.30 m的C20混凝土護砌，下鋪0.10 m厚C10 混凝土墊層，兩側邊墻為C20 混凝土重力式擋土墻，墻頂高程145.50 m。

2.3 陡坡段工程設計

陡坡段（樁號0+042～0+076.80）長34.80 m，底寬4.00 m，縱向坡比1∶3。底部采用0.30 m 厚C25 混凝土護砌，下鋪設0.10 m厚的C10混凝土墊層，兩側邊墻采用C20混凝土重力式擋土墻，墻頂高出底板1.50 m。樁號0+042～0+056 長14 m 為陡坡段彎道部分，中心線轉彎角33°，轉彎半徑24 m。

2.4 消能段工程設計

消能段（樁號0+76.8～0+086.80）長10 m，底寬4 m，深1.50 m，底部高程131.80 m，出口頂部高程133.30 m，底板為0.50 m 厚C25混凝土，下設0.40 m厚反濾層。邊墻均采用C20混凝土重力式擋土墻，墻頂高程135 m。

2.5 海漫段工程設計

海漫段長10 m，底寬由11.20 m 漸變至14 m，底部高程133.30 m，采用0.30 m 厚M7.5 漿砌石護底，下鋪0.10 m 厚碎石墊層。左側為M7.5漿砌石仰斜式擋土墻，迎水面坡比1∶0.80，墻頂高程135 m。右側為M7.5 漿砌石護坡，厚0.30 m，下鋪0.10 m厚碎石墊層，護坡頂部高程135 m，坡比1∶3。

2.6 溢洪道泄流能力計算

除險加固后水庫泄水建筑物為開敞式寬頂堰，堰頂高程143.40 m，堰頂寬4 m，按寬頂堰自由溢流情況計算其泄流能力，流量系數取0.36。計算成果見表1。

表1 除險加固后溢洪道泄流能力計算成果表

2.7 溢洪道消能計算

結合實際地形，消能工采用底流式消能。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，山區、丘陵區水利水電工程5級消能防洪建筑物洪水標準為10年一遇。此建筑物級別為5級，消能防洪按10年一遇洪水計算，相應庫水位144.51 m，溢洪道下泄流量7.50 m3/s。消能計算公式如下：

式（1）（2）（3）（4）中：d—消力池深度，m；σ0—水躍淹沒系數，采用1.05；—躍后水深，m；hc—收縮水深，m；α—水流動能校正系數，采用1.00；q—單寬流量，1.88 m3/s/m；b1—消力池首端寬度，m；b2—消力池末端寬度，m；T0—由消力池底板頂面算起的總勢能，m；△Z—出池落差，m；—出池水深，m。

消力池長度計算公式如下：

式（5）（6）中：Lsj—消力池長度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影長度，m；β—水躍長度校正系數，采用0.70；Lj—水躍長度，m。

消力池底板厚度計算如下：

式（7）（8）中：t—消力池底板始端厚度，m，末端厚可取t/2，但不宜小于0.50 m；ΔH′—上下游水位差，m；K1—底板計算系數，取0.20；K2—底板安全系數，取1.30；U—作用在底板底面揚壓力，kPa；W—作用在底板頂面的水重，kPa；Pm—作用在底板上的脈動壓力，kPa，取躍前收縮斷面流速水頭值的5%；γb—消力池底板的飽和容重，kN/m3。

經計算得：消力池深應為d=1.28 m，長應為9.61 m，底板厚度應為0.50 m。此次設計取消力池深1.50 m，長10 m，底板厚度0.50 m，滿足要求。

2.8 溢洪道水面線推算及邊墻高度復核

A段為溢洪道控制段，進口水面線為300年一遇校核洪水位145.24 m，出口為臨界水深對應水位143.40 m+1.17 m=144.57 m。控制段兩側邊墻頂部高程為145.50 m，超出校核洪水位0.26 m，滿足要求。

B 段既陡坡段，其水面線根據能量方程，用分段求和法計算。陡坡段進口為緩坡變為陡坡處，對應水深為該處臨界水深，經計算臨界水深為1.17 m。陡坡其他段水深以此臨界水深為控制水深，采用上述能量方程分段推算。陡坡段水面線計算成果見表2。

表2 陡坡段水面線計算成果表

根據《溢洪道設計規范》規定，陡坡段邊墻高度應不低于摻氣后的水面線高度，加0.50～1 m的安全超高。由表2可知，陡坡段兩側邊墻底板以上高度均大于摻氣后水深，滿足不出槽要求。

D 段水面線，海漫段水深可按寬頂堰流公式計算，流量系數取0.36，堰寬取11.20 m，經計算，海漫段水深約為0.93 m，海漫段兩側護砌高度為1.70 m，滿足要求。

2.9 溢洪道邊墻穩定復核

溢洪道邊墻均采用C20混凝土重力式擋土墻，基礎均坐落在強風化花崗巖上，地基容許承載力280 kPa。邊墻穩定復核選取控制段及消力池邊墻進行復核。抗滑穩定復核采用抗剪公式，地基應力采用材料力學方法。邊墻穩定復核成果見表3。計算結果表明，控制段及消力池邊墻抗滑穩定安全系數大于最小安全系數，基底壓力最大值小于基礎允許承載力280 kPa，穩定滿足規范要求。

表3 邊墻穩定復核成果表

2.10 防空蝕驗算

采用如下公式進行水流空化數計算：

式（9）（10）中：σ—水流空化數；h0—來流參考斷面時均壓力水頭，m；v0—來流參考斷面平均流速，m/s；ha—建筑物所在地區的大氣壓力水柱，m；hv—水的汽化壓力水柱，參照庫水溫度取用0.17 m。

采用溢洪道30 年一遇設計狀況進行復核，設計水位144.77 m，設計泄量10.20 m3/s。控制段底部高程143.40 m，經計算，控制段底部水流空化系數為29.35，大于初生空化數1.05，可以不做防空蝕設計。

3 結語

總之，根據溢洪道泄流能力計算、溢洪道消能計算、溢洪道水面線推算及邊墻高度復核、溢洪道邊墻穩定復核等結果及復核成果，將溢洪道堰頂恢復至原設計高程143.40 m，并將溢洪道擴寬至4 m，對溢洪道進口段、控制段、陡坡段、消能段及海漫段進行科學合理設計，達到水庫溢洪道除險加固的目的。