某病险水库工程溢洪道整治设计方案应用研究

贾庆稳

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

我国不仅是一个农业大国，同时也是一个水利大国，已建的大中小型水库数量众多，这些水库在我国国民经济和社会的发展中扮演了举足轻重的角色[1-3]。近年来，由于早期修建的水库逐步步入“老龄化”，特别是早期修建的各类中小型水库，水利工程结构的安全问题日益凸显，给水利水电工程结构的安全运行带来严峻挑战，是当前的研究热点和难点[4]。在众多水利工程结构中，溢洪道作为最重要的泄水建筑物，对大坝下游的防洪保安，以及对大坝坝体的保护均起着非常重要的作用[5]。

综合分析现有的相关文献及研究成果[6-9]，发现主要集中在大坝体的整治方案研究，特别是坝体的渗流稳定方面[10]，而对溢洪道整治和设计计算的研究还不多，有待于进一步深入开展关于溢洪道有关工程结构安全的相关研究。鉴于此，本文以某水库溢洪道工程为例，通过现场勘查测量分析，首先研究分析了该溢洪道的现状特点，并进一步指出该溢洪道目前存在的各类问题，进而根据实际问题提出相应的整治设计方案，并最终通过经典水力学公式对整治方案进行验证。

1 工程概况

某水库工程始建于20世纪70年代，枢纽工程主要由大坝、溢洪道、放水设施等水工结构组成。但是由于年久失修的问题，且长时间在各类外界条件作用下，水库枢纽工程的各类水工结构均出现了不同程度的老化甚至结构变形。由于本次研究对象为溢洪道，因此仅对溢洪道工程进行简述。

该水库溢洪道位于坝体的左端，为开敞式正槽溢洪道。溢洪道堰顶高程371.85 m，断面形式为矩形，边墙为直墙型，采用浆砌条石结构。进口段长度4.60 m，过水断面3.00 m×1.60 m(宽×高)，底板高程371.85 m；第二段为平缓段，长度78.60 m，过水断面3.20 m×1.60～1.40 m(宽×高)，末端底板高程371.13 m，比降i=0.01；第三段为陡槽段，长度17.70 m，末端底板高程363.95 m，比降i=0.358；溢洪道尾端修建5.50 m长消力池，过水断面3.00 m×2.00 m(宽×高)。

经过现场检查，发现溢洪道局部边墙条石风化严重，条石之间砂浆脱落。陡槽段及消力池段局部垮塌严重，影响使用。溢洪道内淤积严重，杂草丛生，如果遇到暴雨泄洪工况，将直接阻碍泄洪。溢洪道为浆砌条石砌筑，边墙衬砌存在风化、砂浆脱落等现象，陡槽段及消力池段等已出现坍塌不能满足结构使用要求。

2 溢洪道初步整治方案分析

2.1 溢洪道泄洪能力计算

根据已经批复的溢洪道整治设计方案，建议将溢洪道净宽b整改为2.80 m，同时通过计算来复核其泄流能力。由于该溢洪道堰型属于宽顶堰(2.5≤δ/H<10)，溢洪道泄流能力按泄流公式(1)计算[11]：

(1)

式中：Q为泄流流量，m3/s；ε为孔流垂直收缩系数，考虑侧收缩影响，ε取为0.98；σs为淹没系数，取1.0；m为流量系数，取0.37；b为溢洪道净宽，取2.80 m；H0为溢洪水深，m。计算得到相应泄流流量3.42 m3/s，大于200 a一遇洪水相应的泄流流量3.02 m3/s，故溢洪道整治设计方案满足要求。

2.2 溢洪道水面线计算

2.2.1 计算参数

边墙高度的验算以校核水位为控制工况。整治后200 a一遇校核洪水位372.60 m，相应下泄流量3.02 m3/s。以此作为设计依据，复核溢洪道泄洪槽段的体形尺寸。

2.2.2 计算公式

泄槽段水面线按式(2)、式(3)进行计算[12]：

(2)

(3)

该溢洪道边墙高度的验算以校核水位作为控制工况。同时，以下泄流量3.02 m3/s作为设计依据，复核溢洪道泄洪槽段的体形尺寸。水流掺气水深计算公式如式(4)所示[13-16]：

(4)

式中：h、hq为断面的初始水深及掺气水深，m；v为不掺气的流速，m/s；ξ为修正系数,可取1.0～1.4 s/m,流速大者取大值。

根据水利工程相关规范要求，对溢洪道水面线及边墙顶高程进行设计计算时，溢洪道采用的边墙高度应等于掺气水深与安全超高之和。根据以上式(2)～式(4)，选取了两个典型断面进行计算，分别为断面0+008.50 m和0+095.10 m。具体计算结果见表1所示。分析可知，两断面的计算水深分别为0.37 m和0.13 m，而掺气后水深增至0.38 m和0.14 m，加上安全超高后分别为0.88 m 和0.64 m，均小于现状的边墙高度，满足200 a一遇洪水泄洪要求。

2.3 溢洪道加固设计

参考上述溢洪道的泄流能力以及水深和边墙高度的计算结果，初步拟定了以下溢洪道整治设计除险加固方案。

(1)进口段、泄槽段(溢0-004.6～溢0+082.04)。为解决边墙砂浆脱落等问题，溢洪道进口段及泄槽段边墙采用C20混凝土浇筑，浇筑前采用砂浆锚杆和钢筋网进行支护。值得注意的是，在溢洪道整治前需要对溢洪道现有的淤积层、风化层进行清除。

(2)陡槽段(溢0+082.04～溢0+095.10)。拆除原浆砌条石，陡槽段底坡1∶2，边墙高1.00 m，采用C25混凝土重力式挡墙结构，顶宽0.3 m，背坡坡比1∶0.3。

(3)消力池段(溢0+095.10～溢0+100.10)。

表1 溢洪道整治后陡槽段边墙设计成果

根据整治设计方案，需拆除原有的消力池，重新修建的消力池尺寸长5.00 m，深0.60 m，净宽2.80 m，底板采用40 cm厚C25钢筋混凝土浇筑；边墙墙高1.60 m，采用C25钢筋混凝土重力式挡墙结构，顶宽0.30 m，背坡坡比1∶0.3，墙后采用土石回填。

2.4 消能防冲复核

根据《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》 SL 252—2017，对于5级溢洪道建筑物，其设计洪水的重现期为10 a。故本溢洪道工程的消能防冲设施设计洪水标准按10 a一遇洪水计算，消能防冲设施的设计洪水重现期频率P=10%。对超过消能防冲设计标准的洪水，允许消能防冲建筑物出现部分破坏。根据调洪计算成果，P=10%，对应的下泄流量为1.21 m3/s。消力池长度和深度计算过程如下。

(1)自由水跃共轭水深计算如式(5)、式(6)所示：

(5)

(6)

式中：h′为跃前水深,m；h″为跃后水深,m；v1为收缩断面流速，m/s；Fr1为收缩断面弗劳德数。

(2)水跃长度经验公式计算，如式(7)所示：

L=6.9(h″-h′)

(7)

式中：h′为跃前水深,m；h″为跃后水深,m。

(3)溢洪道下游渠道水深计算如式(8)所示：

(8)

式中：A为泄水断面面积，m2；R为水力半径,m;C为谢才系数;i为明渠底坡度。

经复核计算，重新修建的消力池尺寸为L=5.00 m，h=0.60 m，满足消能防冲要求。

3 结 论

针对该溢洪道现状及使用要求，提出了以下整治方案：(1)溢0-004.6～溢0+082.04为整治段，边墙采用10 cm混凝土护面，底板采用20 cm C20混凝土衬砌；(2)陡槽段及消能段(溢0+082.04～溢0+100.10)为拆除重建，边墙采用重力式挡墙，底板采用30 cm、40 cm厚C25钢筋混凝土衬砌；(3)消力池需拆除重建，重新修建的消力池尺寸长5.00 m，深0.60 m，净宽2.80 m，边墙墙高1.60 m。最终通过水力计算复核，证明了本水库的溢洪道整治设计方案是合理可行的。