開陽(yáng)縣詹家灣水庫(kù)泄水建筑物設(shè)計(jì)研究

柴 海

（安順市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，貴州 安順 561000）

1 概述

水利工程樞紐中用來泄放水的水工建筑物稱為泄水建筑物。泄水建筑物具有安全排洪、放空水庫(kù)的功能，對(duì)于水庫(kù)、江河、渠道或前池等的安全運(yùn)行起重要作用[1，2]。泄水建筑物的安全運(yùn)營(yíng)與諸多因素相關(guān)，其中設(shè)計(jì)參數(shù)的取值對(duì)于泄水建筑物能否在服役期內(nèi)安全運(yùn)行十分關(guān)鍵，如果忽略建筑物的結(jié)構(gòu)類型和風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，會(huì)增加大壩失事風(fēng)險(xiǎn)，威脅下游人民財(cái)產(chǎn)安全[3，4]。

當(dāng)前泄水建筑物主要有岸邊溢洪道、溢流壩、泄洪隧洞及壩下涵洞4 種形式。溢洪道水流平順，超泄能力大，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)用安全可靠，是采用最多的泄水建筑物形式之一[5，6]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究。劉利軍[7]通過模型試驗(yàn)的方式探討了溢洪道消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)問題；李婷婷[8]采用水工物理模型試驗(yàn)方法，開展了進(jìn)水口折流坎設(shè)計(jì)研究對(duì)比，結(jié)合溢洪道進(jìn)水口、出水口水力特征開展方案評(píng)價(jià)分析；龍華等[9]多層面深入剖析月亮灣水庫(kù)溢洪道工程，對(duì)泄洪道消力池的設(shè)計(jì)、布設(shè)效果進(jìn)行定量分析與探究；付亮[10]選取合適的加固設(shè)計(jì)方案，闡述了水庫(kù)溢洪道的加固設(shè)計(jì)思路及方法。此外，還有學(xué)者對(duì)泄洪建筑物布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和溢洪道水工消能設(shè)計(jì)等進(jìn)行了研究[11-14]。

以開陽(yáng)縣詹家灣水庫(kù)為例，對(duì)泄水建筑物設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了探討。首先對(duì)溢流堰剖面設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹分析，然后對(duì)WES 實(shí)用堰泄流能力進(jìn)行了計(jì)算，最后對(duì)泄槽水面線設(shè)計(jì)、消能設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究方法可為相關(guān)工程提供參考。

2 工程概況

詹家灣水庫(kù)是開陽(yáng)縣在貴州省骨干水源建設(shè)規(guī)劃中提出的小（2）型水庫(kù)水源點(diǎn)，最大壩高27.6 m。工程建成后，可保證開陽(yáng)縣城關(guān)鎮(zhèn)石頭村1.47 km2耕地的灌溉，同時(shí)解決灌區(qū)內(nèi)3079人和2772頭大、小牲蓄的飲水。工程設(shè)計(jì)供水量80.4 萬t/a，下放生態(tài)環(huán)境用水12.8 萬t/a。工程規(guī)模為Ⅴ等小（2）型工程。庫(kù)區(qū)內(nèi)褶皺斷裂不甚發(fā)育，水庫(kù)抬高最大水頭較小，為低水頭，庫(kù)容小，蓄水后無誘發(fā)重力型地震可能，庫(kù)區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性好。壩址基巖為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群淺灰、灰白色中厚層白云巖，巖石表層風(fēng)化強(qiáng)烈較破碎，縱向貫通裂隙較發(fā)育；壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無斷層通過，地質(zhì)構(gòu)造基本穩(wěn)定。

3 溢流堰剖面設(shè)計(jì)

詹家灣水庫(kù)大壩為混凝土砌石重力壩，壩頂中段自由溢流，無閘閥控制。溢流堰凈寬6.0 m，堰頂高程1120.0 m，校核洪水位1121.74 m，堰上水頭1.74 m，下泄流量30.5 m3/s。溢流堰為WES 剖面實(shí)用堰，堰面曲線段方程為y=0.3583006x1.85，直線段方程為y=1.33333x-1.393 與堰面曲線切點(diǎn)坐標(biāo)為C（2.274，1.639）。反弧段半徑為7.0 m，中心角為53.13°。反弧段與直線方程的交點(diǎn)坐標(biāo)為D（12.444，15.199），反弧段圓心坐標(biāo)為o′（18.043，11.000），反弧段最低點(diǎn)坐標(biāo)為E（18.043，18.000），E點(diǎn)與下游側(cè)水平段連接，水平段長(zhǎng)3.54 m，溢流面采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.5 m。

4 溢洪道泄流能力計(jì)算

溢洪道過流能力按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2000）泄水與過壩建筑物中實(shí)用堰泄流能力公式計(jì)算：

式中：Q為流量（m3/s）；ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)；B為溢流堰總凈寬（m）；g為重力加速度（m/s2），取9.81 m/s2；H0為計(jì)入流速水頭的堰上總水頭（m）。

溢洪道泄流能力計(jì)算成果，詳見表1。

表1 溢洪道泄流能力計(jì)算成果

由表1 可知，當(dāng)壩前水位由1120.00 m 增加至1122.00 m、堰上水頭從0 增加至2.00 m 時(shí)，WES 實(shí)用堰的泄流量計(jì)算結(jié)果為0～37.57 m3/s，而校核洪水位下溢洪道的泄流量為30.5 m3/s，能夠滿足宣泄洪水要求。

5 泄槽水面線計(jì)算

因溢流面為曲線，溢流面底坡沿程變化，故泄流水面線根據(jù)上下游2個(gè)斷面建立能量方程推導(dǎo)出的溢流面底坡為變量的分段求和公式計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：Δx為上游斷面1-1 和下游斷面2-2 之間的水平投影長(zhǎng)度（m）；h1為上游斷面1-1 的垂直水深（m）；h2為下游斷面2-2的垂直水深（m）；θ1為上游斷面1-1 的底坡角度（°）；θ2為下游斷面2-2 的底坡角度（°）；v1為上游斷面1-1 的平均流速（m/s）；v2為下游斷面2-2 的平均流速（m/s）；α1為上游斷面1-1 的流速分布不均勻系數(shù)，取1.05；α2為下游斷面2-2 的流速分布不均勻系數(shù)，取1.05；g為重力加速度（m/s2），取9.81 m/s2；為上游斷面1-1 和下游斷面2-2 之間的平均底坡；-J為上游斷面1-1 和下游斷面2-2 之間的平均水力坡度。

式中：x1為以堰頂為坐標(biāo)原點(diǎn)上游斷面1-1 相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的x坐標(biāo)值（m）；x2為以堰頂為坐標(biāo)原點(diǎn)下游斷面2-2相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的x坐標(biāo)值（m）。

式中：i1為對(duì)應(yīng)于上游斷面1-1 的底坡，i1= tanθ1；i2為對(duì)應(yīng)于下游斷面2-2的底坡，i2= tanθ2。

式中：J1為對(duì)應(yīng)于上游斷面1-1 的水力坡度；J2為對(duì)應(yīng)于下游斷面2-2的水力坡度。

式中：n為糙率，取0.017；v為斷面平均流速（m/s）；R為水力半徑（m）。

水流摻氣水深按下式計(jì)算：

式中：hb為計(jì)入波動(dòng)及摻氣的水深（m）；h為不計(jì)入波動(dòng)及摻氣的水深（m）；v為不計(jì)入波動(dòng)及摻氣的計(jì)算斷面的流速（m/s）；ζ為修正系數(shù)（s/m），取1.0～1.4 s/m。

泄槽水面線計(jì)算成果，詳見表2。由表2 可知，對(duì)于堰面曲線段，相對(duì)于堰頂坐標(biāo)原點(diǎn)的x坐標(biāo)值由0 增加至2.274 m 時(shí)，計(jì)算邊墻高度由2.45 m 減少至1.58 m；對(duì)于直線段，相對(duì)于堰頂坐標(biāo)原點(diǎn)的x坐標(biāo)值由3 m 增加至12.444 m 時(shí)，計(jì)算邊墻高度由1.52 m 減少至1.29 m。在反弧段，相對(duì)于堰頂坐標(biāo)原點(diǎn)的x坐標(biāo)值由15 m 增加至18.043 m 時(shí)，計(jì)算邊墻高度由1.27 m減少至1.26 m。

表2 泄槽水面線計(jì)算成果

6 消能設(shè)計(jì)

本工程泄水建筑物消能方式采用底流消能，按照《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）第5.2.6 條規(guī)定，詹家灣水庫(kù)泄水建筑物消能設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按10 a 一遇（P=10%）下泄洪水設(shè)計(jì)，根據(jù)水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果，10 a 一遇（P=10%）下泄洪水流量為16.5 m3/s。消力池?cái)嗝妫鐖D1 所示。本次消能工類型為下挖式消力池，上游底部計(jì)算高程為1103.90 m，下游底部高程為1102 m，消力池首端寬度為6 m，消力池末端寬度為6 m，水流的動(dòng)能校正系數(shù)為1.000，泄水建筑物下游收縮斷面處流速系數(shù)為0.950，消力池出流流速系數(shù)為0.950，水躍淹沒系數(shù)為1.050。另外，消力池自由水躍躍長(zhǎng)計(jì)算系數(shù)為6.9，水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)為0.750，底板計(jì)算系數(shù)K1為0.2，底板安全系數(shù)K2為1.3，底板飽和重度為25 kN/m3，脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)為0.050，海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)Ks為10，河床土質(zhì)允許不沖流速為1 m/s。

圖1 消力池?cái)嗝?/p>

計(jì)算時(shí)，首先判斷是否需要建消能工，其采用以下公式包括流速水頭公式、收縮斷面水深公式以及躍后水深公式（矩形斷面擴(kuò)散渠槽自由水躍）來判斷水躍型式的條件。若躍后水深hc′＞下游水深ht′，則發(fā)生遠(yuǎn)離式水躍；若hc′=ht′，則發(fā)生臨界水躍；若hc′＜ht′，則發(fā)生淹沒式水躍。若發(fā)生遠(yuǎn)離式水躍，需要修建消能工，否則不需要。本次研究計(jì)算出單寬流量為2.75 m2/s，流速水頭為0.001 m，上游總水頭為19.201 m，收縮斷面水深為0.15 m，躍后水深為3.136 m，下游水深為2.08 m，為遠(yuǎn)離水躍，需要修建消能工。

設(shè)計(jì)第二步是計(jì)算消力池池深。計(jì)算主要采用消力池出口水面落差公式和消力池深度公式，經(jīng)計(jì)算得出消力池出口斷面落差為0.064 m、深度為1.203 m。設(shè)計(jì)第三步為計(jì)算池長(zhǎng)，采用自由水躍躍長(zhǎng)和消力池池長(zhǎng)計(jì)算公式，經(jīng)計(jì)算得出自由水躍躍長(zhǎng)為20.992 m、水躍前消能工長(zhǎng)度為0、消能工總長(zhǎng)度為15.744 m。設(shè)計(jì)最后為計(jì)算消力池底板厚度，采用池深為1.203 m、池長(zhǎng)為15.744 m 計(jì)算底板厚度。首先需要計(jì)算滿足抗沖要求的底板厚度，然后計(jì)算滿足抗浮要求的底板厚度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，作用在底板面的揚(yáng)壓力為1 kPa，作用在底板上的水壓力為16.348 kPa，作用在底板上的脈動(dòng)壓力為20.695 kPa。經(jīng)計(jì)算，得出所需消力池底板首端最大厚度為0.675 m，末端厚度一般取首端厚度的1/2 為0.337 m。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，消力池池深取1.22 m、池長(zhǎng)取17.0 m、底板厚度取0.8 m。

7 結(jié)論

以開陽(yáng)縣詹家灣水庫(kù)為例，對(duì)泄水建筑物設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了探討。首先對(duì)溢流堰剖面設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹分析，然后對(duì)WES 實(shí)用堰泄流能力進(jìn)行了計(jì)算，最后對(duì)泄槽水面線設(shè)計(jì)、消能設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果如下。

（1）WES 實(shí)用堰的泄流量的計(jì)算結(jié)果為0～37.57 m3/s，而校核洪水位下溢洪道的泄流量為30.5 m3/s，能滿足宣泄洪水要求。

（2）對(duì)于堰面曲線段，相對(duì)于堰頂坐標(biāo)原點(diǎn)的x坐標(biāo)值由0 增加至2.274 m時(shí)，計(jì)算邊墻高度由2.45 m減少至1.58 m；對(duì)于直線段，x坐標(biāo)值由3 m 增加至12.444 m 時(shí)，計(jì)算邊墻高度由1.52 m 減少至1.29 m。在反弧段，x坐標(biāo)值由15 m 增加至18.043 m 時(shí)，計(jì)算邊墻高度由1.27 m減少至1.26 m。

（3）經(jīng)消能設(shè)計(jì)計(jì)算得出，本工程所需消力池底板首端最大厚度為0.675 m，末端厚度一般取首端厚度的1/2 為0.337 m，消力池池深為1.22 m、池長(zhǎng)為17.0 m、底板厚度為0.8 m。