水帘水库溢流堰加固工程设计

□许露予　□杨　辉（桐柏县水利局）



水帘水库溢流堰加固工程设计

□许露予□杨辉（桐柏县水利局）

摘要：水库枢纽工程由非溢流坝、溢流坝、输水管道三部分组成。溢流坝位于大坝中段，为开敞式无闸控制，溢流坝面中部有一条沿水流方向的微裂缝，在溢流面205. 30 m高程处，多孔钢管埋设处有渗水，并长有杂草；下游挑流鼻坎外观基本完好，局部存在漏水、护面破损现象。文章是对溢流堰存在的主要问题采取的相应处理措施进行探讨。

关键词：水库；除险加固；溢流堰；设计

1　引言

水帘水库位于南阳市桐柏县城关镇水帘寺西小河，属淮河流域淮河一级支流。该水库于1996年4月立项批复，1996年10月动工修建，1999年5月基本建成并投入运行。是一座以防洪为主，兼顾旅游、供水和水产养殖等综合利用的小(1)型水利枢纽工程。水库坝址以上控制流域面积6.98 km2，主干流长5.03 km，河道平均比降8.40%。水帘水库设计防洪标准为50 a一遇设计，500 a一遇校核。设计水位217.60 m（黄海高程系，下同），相应库容151.50万m3；校核水位218.30 m，相应库容160万m3；兴利水位215.50 m，兴利库容120万m3；死水位195.50 m，死库容7万m3。

2　水库基本情况

水库枢纽工程由非溢流坝、溢流坝、输水管道三部分组成。

2.1非溢流坝：大坝为浆砌石重力坝，坝顶全长132.00 m（含溢流段26.80 m），坝顶高程219.10 m，最大坝高34.10 m，防浪墙顶高程220.30 m；坝顶宽3.50 m，底宽33.50 m；上游边坡为1:0.25，下游边坡为1:0.80。坝上游设钢筋混凝土防渗面板，坝体与面板之间设伸缩缝，缝内设止水。为便于排水及检查坝体，沿坝体上游188.00 m高程处设一纵向排水廊道，并在不同高程设横向廊道。在205.50 m高程处设一纵向交通廊道，并与排水廊道连通。

2.2溢流坝：溢流坝位于大坝中段，为开敞式无闸控制，全长26.80 m，溢流面为WES剖面，堰顶高程为215.50 m，最大泄洪能力148 m3/s，采用挑流消能。为方便观赏水帘，挑流鼻坎下设一宽为3 m、高为3.20 m的观赏廊道。

2.3输水管道:输水管道位于大坝右岸高程195.50 m处，架设一根DN500钢管，用于向县城供水。钢管进口设拦污栅，沿横向廊道布设，廊道内设工作闸阀及检修闸阀控制。

3　溢流堰现状及存在的问题

水帘水库现状溢流坝为开敞式结构，堰型为WES实用堰，堰顶高程215.50 m，在溢流面205.30 m高程处预埋DN200的多孔钢管，为防止泄洪时发生气蚀现象，在该处混凝土面上埋设有钢板。挑流鼻坎两侧设有混凝土导流墙，下方设有一纵向观赏廊道，廊道底宽为3.00 m，高为3.20 m，为上圆下方的城门洞形C25钢筋混凝土结构。挑流鼻坎下游处的设有横向排水管，能够将坝体和坝基内的渗水排到坝体下游。

堰顶交通桥桥板及桥墩局部露筋、蜂窝麻面，存在安全隐患，影响日常管理及防汛要求。

原设计溢流面板和挑流鼻坎为C20混凝土，根据《水工混凝土结构设计规范》中要求“有抗冲耐磨要求的部位，应进行专门研究确定，且混凝土强度等级不应低于C25”，因此，不满足规范要求。

溢流坝面中部有一条沿水流方向的微裂缝，裂缝宽度为0.20～0.30 mm，长约2.30 m；在溢流面205.30 m高程处，多孔钢管埋设处有渗水，并长有杂草；下游挑流鼻坎外观基本完好，局部存在漏水、护面破损现象，溢流坝挑流鼻坎下部观赏廊道支撑及两侧挡墙结构已遭破坏，影响泄洪安全。且现状溢流面混凝土强度C20，不满足现行规范不小于C25要求，挑流鼻坎结构稳定性不满足规范要求，因此本次加固设计针对以上存在问题，并结合溢流坝顶交通桥拆除重建和坝体灌浆对溢流堰、溢流面板、挑流鼻坎及观赏廊道进行拆除重建。

4　溢流坝水利计算

4.1泄流能力计算

溢流坝控制段为WES实用堰，溢流堰净宽24 m，泄流计算公式：

式中：Q—流量，m3／s；m—流量系数，取0.44～0.51；ε—侧收缩系数，0.99～0.95；B一底宽，24 m；H0—堰上水头，m。

经计算50 a一遇设计泄量为157.20 m3/s，设计水位217.63 m；500 a一遇校核泄量233.50 m3/s，校核水位218.23 m；30 a一遇泄量138.00 m3/s，水位217.47 m。计算结果如表1。

表1　溢流坝泄流量计算结果表

4.2泄槽水力计算

4.2.1临界水深计算

计算得：hk校=2.13m，hk设=1.64m。

4.2.2控制断面确定

先计算临界底坡，基本公式为：

式中：Xk、Rk、Ck分别为渠中水深为临界水深时所对应的湿周、水力半径、谢才系数。

经计算得：ik校=0.002，ik设=0.002。

泄槽坡降l：0.80，底坡i＞ik，为陡坡。水流从缓流过渡到急流必然经过临界水深，则近似以底坡突变处的水深作为临界水深。

由上述分析确定控制断面为实用堰曲线段和直线段连接处，控制水深分别为：hk校=2.13 m，hk设=1.64 m。

4.3消能防冲设计

根据《溢流坝设计规范》SL253-2000,采用30 a一遇洪水下泄流量138 m3/s进行设计。根据《溢流坝设计规范》SL253-2000，挑流消能工的挑距和水垫深度计算公式如下：

式中：L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；θ—挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角(°)；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎顶至下游河床高程差，m，如计算冲刷坑最深点距鼻坎的距离，该值可采用坎顶至冲坑最深点高程差；v1—鼻坎坎顶水面流速，m/s，可按鼻坎处平均流速v的1.1倍计。关于鼻坎平均流速v，按照下面公式计算：

式中：v一鼻坎末端断面平均流速，m/s；Z0一鼻坎末端断面水面以上的水头，m；φ—流速系数；hf—泄槽沿程损失，m；hj—泄槽局部损失之和，m，可取hj/Z0为0.05；S—泄槽流程长度，m；q—泄槽单宽流量，m3／(s*m)。

由以上两式联立计算：泄槽末端水深h=0.27 m，流速v= 21.50 m/s。冲刷坑最大水垫深度按下式计算：

式中：T—自下游水面至坑底最大水垫深度，m；q—鼻坎末端断面单宽流量，m3／(s.m)；Z一上、下游水位差，m；k—综合冲刷系数，选择Ⅱ类岩基，取k=1.10。

采用上述公式求得30 a设计情况下，挑距L=47.86 m，最大水垫深度T=6.20 m，冲坑深度4.70 m，冲刷坑坡度i=1/l0.19，在规范规定的≤l/3～1/6范围内。

5　溢流堰加固工程设计

拆除现有的溢流坝段面板，结合上游WES实用堰位置的调整，重新浇筑40 cm厚C30W4钢筋混凝土溢流面，新做两侧C30W4钢筋混凝土挡墙厚50 cm。加固后的溢流坝段全长26.80 m，溢流堰为由曲线段、直线段和反弧段组成的WES实用剖面，堰顶高程215.50 m；下游堰面曲线方程为y=0.4105964x1. 85，下游直线段起点高程213.00 m，坡度1：0.80；采用挑流消能，挑流鼻坎高程192.52 m，反弧半径5 m，挑设角250；观赏廊道底宽为2 m，高为2.50 m，为上圆下方的城门洞形C25钢筋混凝土结构。

为防止高速水流冲刷，溢流面上布置耐冲刷的钢筋混凝土，并布置一定数量的构造钢筋，构造钢筋直径为12 mm，纵横向间距均为20 cm。

堰顶交通桥拆除重建，设计荷载标准为公路二级（折减），共分三跨，每跨8.80 m，中墩厚0.80 m，桥面高程219.10 m，桥面宽4.00 m。

6　结论

工程结束后，实用堰、溢流面、鼻坎结构整体性较好，满足结构要求，可有效避免水流流经新老混凝土产生的水流危害，且外观形象较好，为水帘景区增光添彩。

（责任编辑：韦诗佳）

收稿日期：2015-11-17

中图分类号：TV641. 1

文献标识码：B

文章编号：1673-8853（2016）02-0059-02