控制段迷宫堰技术在浏阳市金山水库除险加固溢洪道改造中的应用

杨传宪

（浏阳市水利水电勘测设计院　长沙市　410300）



控制段迷宫堰技术在浏阳市金山水库除险加固溢洪道改造中的应用

杨传宪

（浏阳市水利水电勘测设计院长沙市410300）

【摘要】针对金山水库溢洪道泄流现状及存在的安全问题，提出进口迷宫堰改造加固设计方案。文章介绍了直线型迷宫堰的水力特点，以及结构设计，以及具体应用情况，可供其他类似工程参考。

【关键词】小型水库除险加固溢洪道迷宫堰

1　工程概况

金山水库位于浏阳市中和镇金星村的南川河支流，建于1968年。坝址控制集雨面积12.25km2，坝址以上干流长度7.02km，干流平均坡降57‰。该水库是一座灌溉1 000亩耕地的小（Ⅱ）型水库。水库正常蓄水位222.40m，相应库容17.38万m3；设计洪水位224.22m，相应库容27.12万m3；校核洪水位224.55m，相应库容29.55万m3。

水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、输水建筑物等部分组成。大坝采用均质土坝结构，坝顶高程224.14m，最大坝高14.89m，坝顶宽1.74m，坝顶轴线长53.1m，上游坝坡为二级坡，坡比为1∶2.2和1∶2.87，下游坝坡为两级坡，坡比为1∶1.84和1∶3.44。

溢洪道位于大坝左坝肩，系开敞式正槽溢洪道，由左侧坝体开挖而成。全长约22.7m，堰顶宽17m，堰顶高程222.4m，上坝公路横穿溢洪道。放水隧洞位于大坝右岸，断面尺寸为1.0m×1.5m（宽×高），钢筋混凝土结构，隧洞长44m，闸门高程为211.96m，隧洞进口高程为210.78m，出口高程204.35m，隧洞纵坡为1/6。坝体原有老底涵洞断面尺寸为0.8m× 0.8m（宽×高）已封堵。

2　水库溢洪道现状基本情况

溢洪道位于大坝左岸上游50m处，由开挖山体垭口形成。溢洪道全长22.7m，堰顶宽17m，高程222.40m，最大泄量54.40m3/s。溢洪道底板为混凝土结构，破损开裂，表层脱落；左侧墙体用浆砌石护砌，墙高2.5m，墙体单薄破损严重；右侧壁岩石风化强烈，存在局部小规模的掉块和垮塌现象，未护砌；泄槽直接与泄洪河道相接，无消力池，连接段河道底部未衬砌，已冲刷成坑。

溢流道基础为冷家溪群第三岩组第一段（Pt1n3-1）深灰色中厚层状粉砂质板岩，岩石破碎。节理裂隙较发育，呈风化状，抗冲刷能力不强。强风化带厚度（0.5～1.5）m，岩层产状N61°W·NE∠29°，走向与溢洪道轴线斜交。

因金山水库库容相对于集雨面积偏小，坝顶安全超高不够，现状溢洪道溢流能力严重不足，影响坝体安全运行，水库一直处于控制蓄水运行状态。

3　溢洪道处理方案

原设计方案考虑到灌溉任务不大，来水量较大，在保证灌溉的前提下考虑防洪安全将溢洪道底板高程从222.4m降低至221.0m，降低1.4m，该方案通过评审并批复。但在施工期间该方案未能够实施，主要存在以下问题：一是施工单位进场施工后，村民担心水库有效库容减少太多会影响将来下游灌溉而阻工，工程无法正常施工；二是由于校核洪水位较高，导致桥面高程要抬高，交通桥与右岸公路路面衔接困难，实施过程中破路长度过长，对当地交通影响大，造价高，当地村民不同意破路而阻工。经审批单位及专家、各参建单位现场查看复核后一致同意改变原设计溢洪道宽顶堰堰型，以增大溢洪道泄流能力，满足设计过流要求。

原设计溢洪道控制段采用宽顶堰，同意变更后在调洪过程中宽顶堰堰型满足不了泄洪要求，采用驼峰堰和WES堰调洪结果进行对比，降低水位不明显，均不满足设计要求，最后尝试采用迷宫堰堰型。

迷宫堰是平面上呈齿状折线型布设的薄壁堰，由于它的溢流前沿比相同宽度溢洪道上的直线堰腊肠几倍或者十几倍，所以其溢流能力比直线堰大得多。在溢流水头不变的情况下，可以大幅增加泄洪流量；或者流量相同时，可减少溢流水深，太高堰顶高程，增加兴利库容。

通过对控制段设置迷宫堰进行调洪计算，达到了设计要求，最终圆满完成了溢洪道改造。降低了工程造价，达到了降低校核水位和桥面高程的要求。其滞洪库容相应减小，有效库容增大，有效蓄水量增大、效益增大，解决了老百姓迫切需要解决的蓄水与防洪矛盾，破解了多年未能解决的难题，达到一劳永逸的功效，其经济、社会、生态三大效益显著。

4　溢洪道设计

4.1设计暴雨

金山水库没有进行水文气象观测资料，本次水库除险加固设计洪水复核仍根据《查算手册》推荐的推理公式进行计算，见表1。

表1　金山水库设计暴雨成果　mm

4.2设计洪水

（1）设计洪峰流量及汇流时间。各频率的地面洪峰流量及汇流时间是根据地理参数θ、汇流参数m及Rt/t关系曲线推求的，地理参数θ、汇流参数m按下式计算：

式中L——金山水库坝址以上干流长度（km）；

F——金山水库坝址控制流域面积（km2）；

J——干流比降。

各频率的地下径流的洪峰流量按三角形法推求。

经过计算求得各频率洪峰流量及其他主要参数见表2。

表2　设计洪水参数（推理公式）

（2）设计洪水过程线的推求。参照《查算手册》，地面径流过程按径流分配系数法推求，地下径流过程按等腰三角形关系推求，各频率洪水过程线见表3。

4.3泄流能力分析

为了水库安全起见，根据金山水库的具体情况，调洪演算遵循以下原则：在正常蓄水位（221.60m）开始起调，按溢洪道的泄洪能力泄洪水。同时，为水库安全起见，调洪演算时，不考虑放水隧洞参与泄洪。

表3　金山水库入库洪水过程线（推理公式）　m3/s

水库调洪演算，就是通过水量平衡方程求得不同设计入库流量过程情况下的出库流量，从而求出相应设计入库流量情况下的最高库水位以及相应的库容和下泄流量。

（1）迷宫堰主要设计参数。

W=18m，L=54m；

L/W=3

n=4，w1=4.5m取P=1.6m；

w1/P=2.81

取a=0.25m

迷宫堰单宫的展开长度I=4a+2b

已知I=13.5m 4a=1m经计算得：

堰侧墙边长b=6.25m。

式中a——顶长之半（m）；

b——堰侧墙边长（m）；

I——迷宫堰单宫的展开长度（m）；

W——溢洪道直线宽度（m）；

L——迷宫堰折现展开长度（m）；

n——迷宫堰宫数；

w1——单宫宽（m）；

P——堰高（m）。

（2）迷宫堰泄洪能力计算公式。

式中QE——下泄流量（m3/s）；

Mw——流量系数；

W——溢洪道直线宽度，取18m；

g——为重力加速度；

H——计入行进流速的堰上总水头。

流量系数Mw取值查图《低水头水工建筑物设计》第五章第四节迷宫堰图5-8流量系数关系Mw与L/W-H/P-W/P关系曲线（c）W/P=3（见图1）得到各水头对应的流量系数，计算成果见表4和表5。

图1　流量系数关系Mw与LW-H/P-W/P关系曲线

表4　水位-下泄流量计算表

（3）等宽宽顶堰型式泄流能力。

溢洪道设计采用堰顶总净宽为18m，上游进口宽度21.5m，水平控制段长5.00m，泄流量计算公式：

（4）等宽驼峰堰型式泄流能力。

泄流量参照武汉水利电力学院编著的《水力计算手册》推荐的公式计算，ε为闸墩侧收缩系数，由下式计算得：ε=1-0.2［ζK+（n-1）ζ0］，ζ0为中墩形状系数，查《规范》表A.2.1-3为 0.45，ζK为边墩形状系数，查《规范》图A.2.1-2表为0.7，采用b型驼峰堰。

b型驼峰堰设计参数表

流量系数的计算：P1/H0＞0.34采用m=0.452（P1/ H0）-0.032

不同堰型在控制段等宽下的泄流计算成果见表5。

表5　金山水库水位-库容、泄流关系表

因此可以得出结论，金山水库溢洪道采用新型迷宫堰型式后，随着堰上水头的不同，泄流能力是宽顶堰型式溢洪道的5～8倍，驼峰堰型式溢洪道的2～3倍，满足变更后正常水位抬高的过流要求。

4.4调洪演算

根据调洪演算的基本原则和金山水库库容曲线、泄流曲线及入库洪水过程线，利用调洪演算的基本方程，采用试算法求得不同频率洪水要素见表6。

表6　调洪演算结果

4.5结构设计

迷宫堰轴线平面布置为直线，两侧和桥墩相连，主要构件包括堰墙和底板，堰墙平时挡水，泄洪时起溢流堰作用，市主要传力构件。底板是为了满足固定堰墙、防渗、防冲要求而设置。本次设计采用刚性连接整体式结构。

轴线前沿直线段桩号为溢（0～019.4）m。溢洪道堰顶高程由原设计高程221m提高至221.6m，溢洪道底板高程整体上调0.6m，坝顶高程由225m调整至225.3m。设计溢洪道直线净宽度为18m。迷宫堰折现展开长度54m，迷宫堰共4宫，单宫宽W=4.5m，每宫展长I=13.5m。

从开挖的基础来看，控制段部分全为结构完整的砂质板岩，进口段裂隙较为发育。控制段设一交通桥，总长21.8m，分两跨。由于基础整体性较好，工程规模较小，两个宫连在一起不会引起过大的温度应力。本次控制段迷宫堰分缝和交通桥分缝重合，在桥中墩处进行分缝，设橡胶止水。两侧与桥边墩设置温度应力缝分开。

整体式迷宫堰堰墙主要起悬壁板作用，由于堰墙和底板刚性连接，整体性好，但堰墙和底板所受弯矩都较大，要求较大的混凝土断面和较多的配筋。墙底厚度和堰高比值在（0.16～0.2）之间较为经济，由于工程不大，本次设计堰墙做成上薄下厚的梯形断面。堰体钢筋混凝土薄壁堰，顶部修圆墙顶部宽0.3m，墙底部宽0.5m，墙高1.6m，顶部修圆墙顶做成半圆形，半径0.15m。竖向主筋采用Φ14@200、横向采用Φ10@200布置。底板采用50 cm钢筋混凝土底板与基岩结合的形式，底板前后设置0.8m深，宽0.5m的齿槽，增强抗滑稳定性。具体见溢洪道平面布置图（图2）、溢洪道纵剖面图（图3）、迷宫堰平面图（图4）、剖面图（图5）。

底板设计为6.5m长，顺水流长度为堰高4倍多，基地应力满足要求。

迷宫堰底板混凝土与岩基之间有一定的凝聚力，采用抗剪断强度验算抗滑较为合理。

抗剪断公式：

式中K1——按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数；

f1——迷宫堰底板混凝土与岩基接触面的抗剪断摩擦系数；

C1——迷宫堰底板混凝土与岩基接触面的抗剪断凝聚力（kPa）；

A——迷宫堰底板截面积（m2）；

∑W——作用于堰体上计算截面以上全部荷载对底面的法向分值（包括扬压力）（kN）；

∑P——作用于堰体上计算截面以上全部荷载对底面的切向分值（kN）；

图2　溢洪道平面布置图

图3　溢洪道纵剖面图

图4　迷宫堰平面图

图5　迷宫堰剖面图

抗剪断安全计算参数采用地质推荐值（表7）。

表7　金山水库大坝抗滑稳定复核计算参数表

根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319-2005），坝体抗滑稳定安全系数应不小于下表8中的数值。

表8　抗滑稳定安全系数

按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数最小值为4.20，满足规范要求。

5结语

迷宫堰的泄水前沿比同等宽度的直线堰长数倍，在溢流宽度相同的条件下，迷宫堰的泄流能力比一般的宽顶堰可增加数倍，特别是在低水头情况下，几乎与溢流前沿长度成正比，用迷宫堰技术来改造已建水库的溢洪道，可在不增加坝高和确保通过设计洪水的前提下，提高兴利水位，增加兴利库容，投资省见效快。

需要注意的是，迷宫堰改造后所解决的是增大过堰流量的问题，并不能因此而增大溢洪道泄流能力。因此采用迷宫堰技术改造已建水库溢洪道，要求溢洪道泄槽有足够的宽度和底坡比，以保证不会因过堰能力增大而溢洪道过流能力不足导致泄槽段出现淹没流流态，这种技术特别适用于山丘地区溢洪道泄槽段底坡坡比大于1：10的小型水库除险加固工程的无闸控制溢洪道改造。

参考文献

［1］李天科，刘经强，王爱福.低水头水工建筑物［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

作者简介：杨传宪（1978-），男，湖南浏阳人，大学本科，工程师，研究方向：水利水电工程设计，施工管理及工程测绘，手机：15084859520。

收稿日期：（2016-02-21）