小型水库开敞式溢洪道的优化设计

刘长海

（深圳市水务规划设计院，广东深圳518000）

小型水库开敞式溢洪道的优化设计

刘长海

（深圳市水务规划设计院，广东深圳518000）

溢洪道是水库等水利建筑物的防洪设备，在工程项目中能够发挥出排泄水库存超蓄洪水的作用，使得水库在汛期泄洪期间处于安全状态。溢洪道一般不经常工作，但却是水利枢纽工程中重要的结构组成之一。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，因此，研究溢洪道的优化设计至关重要。结合具体工程实例，针对水库溢洪道工程区基岩强风化深度大、岩质较软、不均匀沉降等问题，探讨了溢洪道布置和体形结构的优化设计。

溢洪道；泄流；优化设计；泄洪建筑物

溢洪道是水利工程建设中的重要泄洪建筑物，其设计直接影响着水库的安全运行，对于其经济效益以及社会效益的提高起着重要的作用。基于此，本文以某水库工程为例，讨论了溢洪道的优化设计，以供参考。

1 工程概况

某水库工程是以农业灌溉、城市防洪和城镇供水为主，兼引水发电和生态旅游等功能的一项综合性水利工程。坝址以上流域面积为79 km2，多年平均径流量1.726×107m3，多年平均降水量835.9 mm。水库校核洪水位840.50 m，总库容8.65×106m3，正常蓄水位为837.50 m，相应库容为8.19×106m3，最大坝高49.0 m。首部枢纽由混凝土面板堆石坝、右岸开敞式溢洪道和右岸取水兼放空隧洞等水工建筑物组成。工程等别Ⅳ等，工程规模小（一）型，其永久性主要建筑物为4级。

2 溢洪道工程地质条件

坝址溢洪道分布于右岸单薄山体垭口冲沟地带，进口段横切垭口地形，上游侧坡度较陡，坡度53°，以下为斜坡、冲沟地形，坡度10°～15°，出口段为一级阶地，地形缓，坡度2°～8°，长约300 m。溢洪道两旁无高陡边坡存在，自然边坡稳定。

设计采用边坡开挖坡比为：覆盖层1∶1～1∶1.25.

J2ln1石英砂岩、砂质泥岩：强风化1∶1，弱风化1∶0.5～1∶0.75.

3 溢洪道建筑物结构优化设计

3.1 溢洪道建筑物优化布置

大坝采用混凝土面板堆石坝+右岸开敞式溢洪道。如果采用泄洪隧洞，施工相对复杂，布置上与导流洞有冲突。为了便于工程的运行和管理，溢洪道首选不设闸门的自由溢流方案，堰顶高程为正常蓄水位1 288.00 m。

根据坝址段地形地质条件，结合坝线的布置，将溢洪道布置在大坝右岸。右岸溢洪道由进水渠、控制段、泄槽段、消力池组成，总长238.35 m。绝大部分覆盖层厚度都在3～5 m。进水渠沿山体开挖形成，长20.46 m，进口采用“八”字型，前缘宽度36.5 m，底面高程1 282.00 m。

溢0+000—0+009.000为控制段，长9 m，边强厚1.5 m，堰顶净宽20.0 m，堰顶高程与正常蓄水位同高1 288.00 m，不设闸门。溢流堰型式采用WES实用堰，堰面曲线方程为y=0.189×1.85，堰面曲线与1∶1的斜线相切，后接反弧段，反弧半径为5 m，中心角为35.037°，后接泄槽段。

溢0+009.000—0+190.350为泄槽段，长181.35 m。溢0+009.000—0+034.000为渐变段，底宽15.0～20.0 m，底坡为20/1 000，溢0+034.000—0+040.250为过渡连接段，采用抛物线连接，抛物线方程为y=0.017x+0.012x2；溢0+040.250—0+124.000段，底宽15.0 m，底坡为420/1 000；0+124.000—0+129.509段为过渡链接段，采用圆弧链接，圆弧半径为15.0 m；0+129.509—0+151.000段，底宽15.0 m，底坡为20/1 000；0+151.000—0+158.500段为过渡衔接段，采用抛物线连接，抛物线方程为y=0.02x+0.024x2；0+158.500—0+183.650段底宽15.0 m，底坡为500/1 000；0+183.650—0+190.350段为过渡衔接段，采用圆弧链接，圆弧半径为15.0 m。溢0+190.350—0+228.350段为消力池段，宽度为15.0 m，边墙厚度为1.5 m。出口接下游河道。

3.2 溢洪道建筑物结构计算

3．2．1 WES实用堰泄流能力计算

根据《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）水力设计计算，开敞式WES实用堰泄流能力计算为：

式（1）（2）（3）中：Q为流量，m3/s；B为溢流堰总净宽，m，定义B=nb；b为单孔宽度，m；n为闸孔数目；H0为计入行近流速水头的堰上总水头，m；g为重力加速度，9.81 m/s2；m为二维水流WES实用堰流量系数；c为上游堰坡影响系数；ε为闸墩侧收缩系数；ξ0为中墩形状系数；ξk为边墩形状系数；σs为淹没系数。

波动及掺气水位计算为：

式（4）中：h和hb为泄槽计算断面的水深及掺气后的水深；v为不掺气情况下泄槽计算断面的流速；ξ为修正系数，可取1.0为1.4 s/m，流速大者取大值，取1.2.溢洪道泄流能力计算表及特征水位泄流计算成果如表1和表2所示。

表1 溢洪道泄流能力计算成果表

表2 特征水位泄量关系计算成果

从表2可知，在校核水位工况下P=0.2%，上游水位为1 291.70 m，相应的下泄流量为309.79 m3/s；在校核水位工况下P=2.0%，上游水位为1 290.78 m，相应的下泄流量为197.40 m3/s；在消能防冲工况下P=5.0%，上游水位为1 290.46 m，相应下泄流量为161.70 m3/s。

3．2．2 泄槽水面线计算

泄槽段均采用矩形断面，三面采用混凝土衬砌防渗，水面线根据能量方程用分段求和法计算，即：

式（5）（6）中：Δl1-2为分段长度；h1和h2为分段始、末断面水深，h1取泄槽首端断面计算的临界水深，a取1.05，q为单宽流量/（m3/s）；v1和v2为分段始、末断面平均流速，m/s；α1和α2为流速分布不均匀系数，取1.05；θ为泄槽底坡角度；i为泄槽底坡，i=tgθ；为分段内平均摩阻坡降；n为泄槽槽身糙率系数，取0.017；为分段平均流速，=（v1+v2）/2，m/s；为分段平均水力半径，m。通过计算，泄槽段各分段始末断面水深计算成果如表3所示。

3．2．3 消能计算

设计采用下挖式消力池底流消能，按《溢洪道设计规范》（SL253—2000）计算消能防冲，设计采用20年一遇洪水标准计算，即：

式（7）（8）（9）中：d为池深，m；σ为水跃淹没度，取1.05；h2为池中发生临界水跃时的跃后水深，m；ht为消能池出口下游水的深度，m；Δz为消能池尾部出口水面跃落，m；Q为流量，m3/s；L为水跃长度，m；Fr1为收缩断面费劳德数。

将表1、表2、表3各特性参数代入到式（7）（8）（9）中，计算得消能防冲洪水（P=5%）下泄流量Q=154.3 m3/s时，得到消能池深6.0 m，设计取6.0 m；池长37.58 m，设计取38.0 m。出口接下游河道，水深为1.76 m。边墙高8.0 m，厚1.5 m。设计确定的WES实用堰结构尺寸，其泄流能力、消能防冲等均能满足工程安全运行需求，符合规范要求。

表3 泄槽段水面线推算成果表

4 结束语

综上所述，针对水库溢洪道常出现的问题，应从地质条件、规划布置、水利计算及结构计算等层层把关，保证工程安全经济可行。在本工程中，设计采用了地质条件适应性强、工程量较省、安全可靠性和节能经济性均较优的右岸开敞式溢洪道。经优化调整后，并结合泄流能力、泄槽水面线和消能防冲等对溢洪道细部结构进行了计算分析，结果表明，开敞式溢洪道的泄流能力和底流消能均能够满足规范要求，具有较高安全可靠性和技术经济性。

［1］聂建云.试论某水库溢洪道设计及优化［J］.地球，2014（04）.

［2］彭超.浅议小型水库加固设计中的溢洪道优化设计［J］.黑龙江科技信息，2015（12）.

〔编辑：张思楠〕

TV651.1

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.112

2095-6835（2017）15-0112-03