双峰寺水库溢流坝设计要点

杨丽君

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 工程概况

双峰寺水库位于滦河一级支流武烈河干流上，是一座以防洪为主，结合城市供水，兼顾发电和生态环境供水等综合利用的大（2）型水利枢纽工程。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝顶全长533m，最大坝高50.1m，由非溢流坝段、溢流坝段、底孔坝段和电站坝段组成。溢流坝段位于主河槽，建基岩体为弱风化片麻岩。溢流坝段全长101.0m，共布置5个坝段，坝段长17.5～22m，每个坝段布置2孔。溢流坝堰顶总净宽81m，分9孔，单孔堰顶净宽9m；堰体上游面直立，下游堰面曲线采用WES幂曲线，直线段坡比1∶0.75。消能型式为挑流消能。溢流坝堰顶设弧形工作闸门和平面检修钢闸门。

2 溢流坝总体布置

双峰寺水库是武烈河干流唯一的控制性工程，以防洪为主，依据泄水建筑物优先布置于主河床，在各种水位条件下应满足能宣泄不同流量，各建筑物布置相互协调、互不干扰，以及便于运行安全、统一调度、管理方便。将溢流坝段布置在现河道主河槽位置，以使下泄水流能直接进入主河槽，顺应河势，减少对河岸的冲刷，减少下游水流归槽的开挖量。

3 溢流坝堰面曲线确定

溢流坝采用开敞式，堰面由堰顶上游曲线段、堰顶下游曲线段、中间直线段和下部反弧3部分组成。

溢流坝堰面曲线应使水流平顺地通过堰顶，在堰面不产生过大的负压，溢流能力较大，堰顶上游曲线采用三圆弧曲线，堰顶下游堰面采用WES幂曲线，定型设计水头按堰顶最高水头的85%取值，则WES曲线为x1.85=10.3206y。

溢流坝的中间直线段是WES曲线和下游消能段的连接段，上端与堰顶曲线相切，下端和反弧曲线相切。

下游消能段采用连续式的挑流鼻坎。根据我国的工程实践经验，挑角采用25°的挑射角；鼻坎高程以高于下游水位1～2m为宜，设计取370m，高于消能防冲设计洪水标准50年一遇时对应的下游水位，与下游最高水位持平；鼻坎反弧段半径R以6～10倍鼻坎上的水深为宜，根据能量方程，求出水深，进而求得反弧段半径。

4 水力设计

溢流坝水力设计包括泄流能力计算和消能防冲水力设计。

4.1 泄流能力计算

通过泄流计算，确定泄流曲线，为水库调洪演算提供依据。溢流坝堰体上游面直立，堰面曲线采用WES幂曲线，泄流能力根据SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》和《水工设计手册》进行计算。经计算，100年一遇洪水位392.5m时泄量2059m3/s，2000年一遇洪水395.11m时泄量3804m3/s。

4.2 挑流计算

根据地质勘探资料，拦河坝下游基岩为块状构造的强、弱风化片麻岩，不存在影响坝体稳定的断层结构，基岩抗冲能力较强，溢流坝消能型式采用挑流消能。

挑流消能的安全挑距，应不影响坝趾基岩稳定，冲坑最低距坝趾的距离应大于2.5倍的坑深。根据地质勘探，坝址处覆盖层下伏基岩为强风化黑云斜长片麻岩，岩体局部较破碎，综合冲刷系数取1.6。经计算，超过堰顶高程的各种标准洪水情况下，溢流堰泄流下游冲坑后坡均小于1∶2.5，满足规范要求，冲坑不会危及坝体的安全。

5 结构计算

5.1 坝体稳定计算

溢流坝坝体稳定计算为坝体稳定及应力计算，通过计算确定坝体稳定和应力值，判断是否满足规范的要求和设计断面的合理性。

考虑到溢流坝两个边孔坝段在泄洪时表孔另一侧无水，其边墩将承受较大的侧向水压力，因此坝体沿坝基面抗滑稳定和基底应力计算选取中孔和边孔两个坝段的最大坝高断面进行计算。

根据水库的运用条件，控制性荷载基本组合：①设计洪水位情况；②正常蓄水位+冰冻情况。特殊组合：①正常蓄水位+排水失效；②校核洪水位情况。

经计算，溢流坝段坝基面抗剪断安全系数基本荷载组合时最小值3.97大于规定值3.0，特殊荷载组合时最小值3.44大于规定值2.5；在各种荷载组合情况下，坝基最大垂直正应力最大值1.93MPa小于基岩的允许承载力3.5MPa，且坝基面均未出现拉应力，满足规范要求。

5.2 闸墩结构计算

溢流坝堰顶总净宽81m，分9孔，单孔净宽9.0m，溢流表孔采用孔中分缝，堰顶设弧形工作钢闸门，设计工作水头5.5m，闸门采用固定式卷扬启闭机启闭。闸墩厚度与溢流表孔的各工况堰上水头和孔口宽度有关，参考国内已建工程经验，考虑到本工程孔口宽度较小、闸门挡水高度也不大，因此溢流坝边墩和中墩均采用2.0m。

闸墩结构计算包括闸墩应力和配筋计算，弧形工作闸门支座及配筋计算。

5.2.1 闸墩应力计算和配筋

闸墩为双向受力结构，不同高程截面上的应力不同，其中墩底应力最大，是闸墩应力计算的控制截面。闸墩应力计算，视闸墩为固结在堰体上的悬臂梁，墩底正应力按材料力学偏心受压公式进行计算。

纵向（顺水流方向）正应力计算控制性荷载效应组合为弧门上游库水位为设计水位时启门情况 （考虑闸门启门力）；横向（垂直水流方向）正应力控制性荷载效应组合为弧门上游库水位为设计水位时一侧孔口泄流、另一侧弧门关闭情况。

经计算，闸墩纵向和横向正应力中压应力最大值1939kPa，小于闸墩混凝土的容许压应力6429kPa；拉应力最大值118kPa，小于混凝土的容许拉应力554kPa，均不需要进行配筋计算，闸墩按构造配筋设计。

5.2.2 闸墩支座计算

溢流坝堰顶弧形工作闸门支座为与闸墩整体现浇的钢筋混凝土牛腿，承受闸门支臂传来的水压力，根据弧形工作闸门支座受力及结构构造要求，首先拟定弧门支座结构尺寸，然后再对该断面尺寸进行复核和配筋计算。根据闸门的运行条件，控制性荷载效应组合弧门上游库水位为设计洪水位的水位情况。由于弧形闸门是露顶式工作闸门，故不考虑偶然设计状况。

弧门支承结构尺寸根据公式计算和有关工程经验综合确定。本工程拟定的支座宽度b=1.5m，高度h=2.0m，外悬长度L=1.0m，支座外缘高度h1=1.0m，支座混凝土等级C25F200。根据SL191—2008《水工混凝土结构设计规范》 进行弧门支座的受力钢筋截面积计算，经计算，弧门支座纵向受力钢筋截面面积AS=1063.14mm2。承受弧门支座推力所需的纵向受力钢筋的配筋率不宜小于0.2%，按最小配筋率确定的纵向受力钢筋截面面积6000mm2。

闸墩由于弧门支座集中力作用产生拉应力，在支座前约2倍支座宽、1.5～2.5倍支座高的范围内，闸墩内的拉应力集中，且大于混凝土的容许拉应力，配置受力钢筋。受力钢筋布置在闸墩表面，沿弧门推力方向按扇形布置。经计算，闸墩受一侧弧门支座推力作用时为控制工况，计算配筋为2排15准25+15准25（排距20cm）；最外侧扇形钢筋与弧门推力方向的夹角为28°，相邻钢筋间夹角4°。

6 结语

（1）双峰寺水库溢流坝设计主要包括布置、体型设计、水力设计和结构计算等内容，确定了溢流坝堰面曲线、泄流曲线，得出挑流消能的安全挑距和冲坑深度，确定出合理的断面和适合的配筋。

（2）总结了溢流坝布置和体型设计原则，水力、结构计算方法和结论，可供类似溢流坝设计借鉴。

［1］本书编委会.水工设计手册［K］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］武汉水利电力学院水力学教研室编.水力计算手册［K］.北京：水利电力出版社，1983.

［3］SL319—2005，混凝土重力坝设计规范［S］.

［4］SL191—2008，水工混凝土结构设计规范［S］.

［5］河北省水利水电勘测设计研究院.双峰寺水库初步设计报告［R］.2012.