水库溢洪道结构及布置设计研究

洪振国，洪振权

水库溢洪道结构及布置设计研究

洪振国1，洪振权2

（1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明650021；2.中国水电十四工程局，云南昆明650021）

通过溢洪道布置、型式的比选及结构研究发现，溢洪道2条轴线布置开挖边坡都不大，地质条件相同，工程量相近，但右岸垭口方案存在小学搬迁赔偿问题，因此推荐紧靠大坝右岸布置。因本区径流面积小、洪水不大、水位对溢洪道宽度以及隧洞是否参与泄洪敏感性不大，为便于今后对水库的运行调度，采用开敞式无闸控制、单独泄洪的正常溢洪道能满足要求。

水库；溢洪道；结构；布置

溢洪道是水库枢纽的一个非常重要的建筑物，溢洪道的设计和布置合理与否不仅直接影响到水库的安全，而且关系到整个工程造价。所以，有必要对溢洪道的结构及布置进行深入研究。在水库工程溢洪道设计时，笔者对典型中型水库的段家坝水库溢洪道分别进行布置、结构、水力学计算及结构计算研究。

1　工程概况

段家坝水库工程主要任务是向农业灌溉、集镇和农村人畜饮水供水，兼顾工业供水。水库总库容1 360.1万m3，调洪库容157.0万m3，死库容42.1万m3，兴利库容1 161.18万m3。水库拦河坝最大坝高56.0 m，建成后可增加灌溉面积2 393.33 hm2，其中平达片526.67 hm2、勐糯片1 866.67 hm2。水库向乡村集镇和灌溉供水流量为2.254 m3/s，工业供水流量为0.014 m3/s，生态供水流量为0.07 m3/s。水库枢纽建筑物由拦河坝、溢洪道、导流输水隧洞组成，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，主要建筑物大坝、溢洪道、导流输水隧洞为3级建筑物，取水坝属次要建筑物、为4级，临时建筑物为5级。水库拦河坝设计洪水标准为50年一遇（P=2％），相应的下泄流量为16.9 m3/s；校核洪水标准为1 000年一遇（P=0.1％），相应的下泄流量为29.5 m3/s；下游消能防冲建筑物洪水标准为30年一遇（P=3.33％），相应的下泄流量为14.8 m3/s。

2　溢洪道布置

溢洪道的布置根据地形、地质、工程特点、枢纽总体布置、施工及经济指标等综合因素进行全面考虑，由于段家坝水库坝址区左岸为向河床方向凸起的厚实山体，工程地质条件较好，有利于输水隧洞布置，考虑到导流与输水相结合，结合施工时两者相互干扰和出口水流为平顺入流的实际，将导流输水隧洞布置在大坝左岸。同时，考虑到枢纽总体布置、泄洪消能布置、出口水流与下游河道平顺连接及与导流输水隧洞出口水流归顺，将溢洪道布置在右岸。

溢洪道布置于右岸有2种方案可选择：方案1布置于右岸垭口，方案2布置于右岸紧靠大坝，下面就2个方案作比选。

方案1：上坝址右岸有一垭口，垭口距离大坝右岸约165 m，垭口最大高程2 045 m，比坝顶高程高5 m，溢洪道堰顶高程2 037.50 m，最大开挖边坡高29 m，有利于布置溢洪道。因此，将溢洪道布设于右岸垭口，其轴线顺冲沟走向布置，轴线长289.50 m。但垭口处是当地一所小学校，若搬迁小学校则造成当地小孩上学困难，加上工程区地处偏远山区，附近没有理想地方建校。

方案2：溢洪道布置于大坝右岸，紧靠大坝，轴线长305.530 m，轴线布置需转弯，但工程占地少，不存在搬迁赔偿问题，对当地群众生活影响较小。

一般而言，土石坝大中型水库溢洪道利用地形选在山垭口布置，段家坝水库溢洪道2条轴线布置开挖边坡都不大，地质条件相同，工程量相近，但方案1存在小学搬迁赔偿问题，投资较大，因此选用方案2，将溢洪道布置于大坝右岸。

3　溢洪道型式

泄洪建筑物为开敞式溢洪道，由于驼峰堰过流能力大于宽顶堰，工程费用较少，所以堰型采用驼峰堰，堰宽B=3、4、5、6、8 m。比较5种驼峰堰堰宽后，拟定下面3种不同调洪方案进行比选。

3.1方案1：溢洪道单独泄洪

溢洪道底板高程设于正常水位2 037.50 m，单独泄洪，堰宽3、4、5、6、8 m时水位相差仅0.11～0.4 m，坝高增加不大，能满足水库正常运行的需要，既可以保证水库安全又能减少工程量及投资，选择堰宽6.0 m。

3.2方案2：溢洪道与隧洞联合泄洪

溢洪道底板高程设于正常水位，与隧洞联合泄洪。隧洞闸门不同开度下，溢洪道堰宽6 m时校核水位为2 039.06 m，与方案1校核水位相差仅0.32 m；设计水位为2 038.44 m，与方案1设计水位相差仅0.34 m，坝高减少0.32 m。考虑到隧洞永久运行为无压，隧洞最大过流流量12 m3/s，隧洞工作闸门开启e/a=0.7，隧洞功能则增加导流、泄洪、输水3种，不便于水库运行调度。

3.3方案3：溢洪道与隧洞联合泄洪

溢洪道底板高程设于设计洪水位高程，与隧洞联合泄洪。隧洞闸门不同开度下，溢洪道堰宽6 m时校核水位为2 039.44 m，与方案1校核水位相差仅0.04 m；特殊工况下，隧洞不参与泄洪，溢洪道堰宽6 m时校核水位为2 039.93 m，比方案1校核水位仅高0.53 m。

因本区径流面积小、洪水不大，通过不同方案组合，水位对溢洪道宽度以及隧洞是否参与泄洪敏感性不大，为便于今后对水库的运行调度，采用方案1。溢洪道型式选择开敞式无闸控制，堰宽选取6.0 m。溢洪道选用单独泄洪的正常溢洪道能满足要求，导流输水隧洞设为单一的输水功能。

4　溢洪道结构

溢洪道布置于右岸，其进口形状做成喇叭口，使引流平顺，减小损失。溢洪道为无闸控制开敞式，控制段堰型为驼峰堰，堰宽6 m，堰顶高程2 037.50 m。溢洪道由引渠段、控制段、泄槽段、消力池段及出口护坦段组成，全长305.53 m，采用消力池消能。

根据调洪结果，校核洪水时溢洪道下泄流量为29.5 m3/s，设计洪水下泄流量为16.9 m3/s，消能防冲30年一遇洪水下泄流量为14.8 m3/s。

溢0-042.000—溢0+000.00为引渠段，宽度B= 10～6.0 m，底坡i=0，底板高程2 037.000 m。其中，溢0-020.944—溢0+000.000长20.944 m，为平面转弯段，转弯半径R=40 m，θ1=30°，进口段为U形整体钢筋混凝土结构。

溢0+000.00—溢0+012.00为驼峰堰段，高0.5 m，长12.0 m，底宽B=6.0 m，为矩形断面，采用C25钢筋混凝土整体结构，底坡i=0。

溢0+012.00—溢0+089.887为泄槽Ⅰ段，长77.887 m，溢0+012.00—溢0+020.00上部设有宽8.0 m、跨度6.0 m的交通桥与坝顶公路连接，交通桥后溢洪道宽度由6.0 m渐变为4.0 m，采用矩形断面，采用C25钢筋混凝土整体结构，底坡i=0.02。其中，溢0+072.433—溢0+089.887段长17.444 m，为平面转弯段，转弯半径R=40 m，θ1=25°。溢0+089.887—溢0+177.238为泄槽Ⅱ段，底宽B=4.0 m，为矩形断面，采用C30钢筋混凝土整体结构，泄槽边墙高1.8 m，底坡i=0.625。泄槽底板从溢0+032.00后下设纵、横向排水沟。

溢0+177.238—溢0+199.238为消力池段，由于段家坝水库溢洪道水头较低、泄流量较小，加上消力池段地形平缓，所以采用底流式消能。消力池长22 m，底宽4.0 m，池深1.5 m，底板高程1 984.193 m，为矩形断面，采用C25钢筋混凝土整体结构。消力池底板下设置排水孔，底部铺设砂碎石反滤层。

溢0+199.238—溢0+263.530为出水渠段，其中溢0+199.238—溢0+219.238段为矩形断面，采用C25钢筋混凝土整体结构，底坡i=0.001，边墙高5.9 m；溢0+219.238—溢0+263.530出口护坦段为矩形断面，采用M7.5浆砌石护砌，溢洪道出口水流与河道平顺连接。

每条冲沟处设浆砌石挡墙，将区间水拦截引入排水沟排至下游河道。

溢洪道引渠段、控制段、泄槽Ⅰ段及收缩段混凝土强度、抗渗、抗冻等级为C25W6F50，抛物线段及泄槽Ⅱ段、挑流段混凝土强度、抗渗、抗冻等级为C30W6F50。

5　水力学设计

5.1泄流复核计算

溢洪道堰顶高程为2037.50m，堰顶宽度为6.0m，起调水位为正常库水位2 037.50 m。驼峰堰自由溢流的流量计算公式为：

式中：Q为下泄流量（m3/s）；B为溢流堰总净宽（m），取B=6 m；g为重力加速度（m/s2）；H0为计入流速水头的堰上总水头（m），H0≈H；m为流量系数；ε为侧收缩系数。

表1　溢洪道泄流量计算成果

由表1可知，溢洪道下泄流量满足调洪要求。

5.2泄槽段水面线计算

泄槽水面线根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式为：

式中：ΔL1-2为分段长度（m）；α1，α2为流速不均匀分布系数，取1.05；h1，h2为分段始、末断面水深（m）；v1，v2为分段始、末断面平均流速（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；为分段内平均摩阻坡降；为分段内的平均流速（m/s）；为分段内水力半径平均值（m）；θ为泄槽底坡角度（°）；i为泄槽底坡；n为泄槽槽身糙率系数。泄槽段校核工况水深、流速沿程分布情况，见表2。

表2　泄槽段校核工况水深、流速沿程分布

5.3水流掺气水深计算

水流掺气水深计算公式为：

式中：h，hb为泄槽计算断面的水深及掺气后的水深（m）；v为不掺气情况下泄槽计算断面的流速（m/s）；ζ为修正系数，取ζ=1.0～1.4，流速大者取大值。

经计算，结果如下：泄槽边墙高度由校核工况（P=0.1％）掺气水深+超高（0.5～1.5 m）确定，则溢0+012.00—溢0+089.887泄槽Ⅰ段边墙高为2.5 m，溢0+089.887—溢0+177.238泄槽Ⅱ段边墙高为1.8m。

5.4消能计算

采用《溢洪道设计规范》（SL253-2000）计算公式，拟采用等宽矩形断面挖深式消力池消能。

池深计算公式为：

式中：d为消力池池深（m）；σ为水跃淹没度，取σ= 1.05～1.10；h2为池中发生临界水跃时的跃后水深（m）；ht为下游水深（m）；ΔZ为消力池出口水面落差（m）。

消力池尾部出口水面跌落计算公式为：

式中：Q为下泄流量（m3/s）；g为重力加速度（m/s2）；b为消力池宽度（m）；Φ为水流自消力池出流的流速系数，取Φ=0.95；其他变量含义同上。

消能按30年一遇（P=3.33％）下泄流量14.8 m3/s计算，按50年下泄总流量16.9 m3/s校核。经计算，得到消力池池长22 m、池深1.5 m，消力池边墙高度按照1 000年下泄流量29.5 m3/s确定为7.4 m。

6　结构稳定计算

6.1消力池底板抗浮稳定分析

6.1.1消力池底板厚度

其计算公式为：

式中：t为消力池底板厚度（m）；hc为跃前收缩断面水深（m），由于水头为52 m，跃前收缩断面底宽4 m，根据能量方程得到跃前收缩断面水深hc为0.075 m；Vc为跃前收缩断面流速（m/s），由于跃前收缩断面流量为9.6 m3/s、底宽为4 m，根据Vc=Qc/（bhc）公式得到Vc=32 m/s；K为底板抗浮折减系数，取0.12；α为末端射流与水平向所成的角度，取32°。

将上述数据代入式（7），经计算得到t=1.050 m。由此，初选底板厚度t=1.2 m。

6.1.2消力池底板抗浮稳定

由于结构是对称的，消力池底板所受的荷载也是对称的。因此，作为一个整体，其满足整体稳定的要求。

由于抗浮稳定安全系数=（水重+自重）/（扬压力+脉动压力）=1.461，所以消力池底板抗浮稳定。

6.2驼峰堰段抗滑稳定计算

驼峰堰段稳定按基本和特殊组合进行计算分析。

6.2.1计算工况与荷载组合

（1）完建工况。堰上下游均无水；荷载组合：结构自重。

（2）正常工况。堰上游水位为正常库水位2 037.50 m，堰后无水；荷载组合：结构自重+水重+静水压力+扬压力（浮托力+渗透压力）。

（3）设计工况。堰上游水位为2 038.78 m，堰后水位为2 037.932 m；荷载组合：结构自重+水重+静水压力+扬压力（浮托力+渗透压力）。

（4）校核工况。堰上游水位为2 039.4 m，堰后水位为2 038.351 m；荷载组合：结构自重+水重+静水压力+扬压力（浮托力+渗透压力）。

（5）地震工况。堰上游水位为正常库水位2 037.50 m，堰后无水，遇地震动峰值加速度0.3 g；荷载组合：结构自重+水重+静水压力+扬压力（浮托力+渗透压力）+地震。

6.2.2稳定计算

稳定计算方法采用抗剪断公式，根据文献［1］的有关规定，堰抗滑稳定计算公式为：

式中：K为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′为堰混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；C′为堰混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力（kPa）；ΣG为作用在堰上的全部荷载对计算滑动面的法向分量（kN）；ΣP为作用在堰上的全部荷载对计算滑动面的切向分量（kN）；A为堰与基岩接触面的截面积（m2）。

6.3地基应力计算

地基应力计算公式为：式中：Pmaxmin为地基应力的最大值或最小值（kPa）；∑M为作用在堰上的全部荷载对计算滑动面的法向分量和切向分量对于基础底面垂直水流方向的力矩（kN·m）；W为堰基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩（kN·m）；其他变量含义同上。

6.4计算成果

堰稳定计算及地基应力计算成果，见表3。

表3　堰稳定计算及地基应力计算成果

驼峰堰坐落在泥岩夹泥灰岩、长石石英细砂岩上，地基承载力为300 kPa，均满足计算结果。经过计算，溢洪闸稳定和地基应力均满足规范要求。

7　结论

溢洪道的设计和布置合理与否不仅直接影响到水库的安全，而且关系到整个工程造价。段家坝水库溢洪道2条轴线布置开挖边坡都不大，地质条件相同，工程量相近，但右岸垭口方案存在小学搬迁赔偿问题，投资较大，因此推荐紧靠大坝右岸布置。因本区径流面积小、洪水不大，通过不同方案组合，水位对溢洪道宽度以及隧洞是否参与泄洪敏感性不大，为便于今后对水库的运行调度，溢洪道型式选择开敞式无闸控制，宽度选取6.0 m。溢洪道选用单独泄洪的正常溢洪道能满足要求，导流输水隧洞设为单一的输水功能，并通过水力学及结构稳定计算说明结构布置可行的。

［1］SL253-2000，溢洪道设计规范［S］.

TV651.1；TV222

B

1004-7328（2016）04-0026-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.008

2016—03—21

洪振国（1976—），男，高级工程师，主要从事水工建筑物设计及研究工作。