板涧河水库溢洪道优化设计刍议

赵培越

（山西小浪底引黄工程有限公司，山西 垣曲043700）

1 工程概况

板涧河水库位于垣曲县毛家湾镇板涧河村下游约1.5 km处，为小浪底引黄工程的调蓄水库，系黄河一级支流板涧河干流上的一座中型水库，距垣曲县城约21 km。水库控制流域面积247.2 km2，坝址以上多年平均天然径流量3 396万m3，总库容3 336万m3，兴利库容2 626万m3，设计洪水位535.5 m，校核洪水位538.53 m。主要建筑物包括大坝、溢洪道、泄洪洞等。大坝设计为混凝土面板堆石坝，坝顶长167 m，坝顶宽8 m，坝顶高程540.0 m，最大坝高85.0 m。

2 溢洪道工程现状

2.1 溢洪道布置

溢洪道布置于水库左岸，轴线方向为S61.67°E，控制段采用无底坎宽顶堰，距左坝头约50 m，堰顶高程530.0 m，设3孔，每孔净宽8 m，泄槽底坡为1∶3.2，出口挑流鼻坎的顶高程为469.0 m。最大泄量973 m3/s，设计洪水时只开启一孔，泄量为168 m3/s。溢洪道总长253.5 m（桩号Y0-038.0～Y0+215.5），由引渠段、闸室控制段、泄槽段、挑流鼻坎段组成。

2.2 溢洪道工程地质

溢洪道沿线地面高程455～573 m。出露地层上部为震旦系下统云梦山组第二岩组（Z2y-2）石英砂岩，岩性坚硬，厚度35～100 m，岩层产状为N15°～43°W/SE∠24°～37°。强风化层厚度一般1～3 m，弱风化层厚度一般5～10 m。其下为震旦系下统马家河组第一岩组（Z1m-1），岩性为暗褐色、紫红色、灰绿色安山岩、辉石安山岩，厚度大于100 m。上部石英砂岩与其下安山岩为角度不整合接触。接触带处安山岩顶层存在古风化壳，古强风化层厚度3～4 m，古弱风化带厚度15 m左右。

2.3 原溢洪道泄槽段设计

经综合比较，溢洪道泄槽底坡采用1∶2.95。桩号Y0+023.0—Y0+207布置泄槽段，泄槽净宽28 m，包括抛物线连接段和陡坡段。桩号Y0+023.0—Y0+030.567为抛物线连接段，抛物线y=0.022 4x2（m）将闸室段和陡坡段连接，桩号Y0+030.567—Y0+207为陡坡段，底坡为1∶2.95，下游接挑流鼻坎段。

泄槽长184 m，为矩形槽，净宽28 m，边墙底板为分离式，底板厚0.42 m。边墙高6～3 m，为L形，顶宽0.5 m，底宽1.5 m，基础深1.0 m，墙后直挖，墙顶以上开挖坡度1∶0.3～1∶0.5。

2.4 设计变更的原因

2016年3月，施工单位对泄槽下游段开挖后发现：桩号Y0+159.0～Y0+215.5段的右岸边墙处基岩面偏低，如维持原设计尺寸，则会造成工程量增大、投资增加，且右边墙失去了墙背后的基岩支撑，其稳定和强度也存在问题。

3 优化设计

3.1 溢洪道泄槽布置优化

此时，溢洪道泄槽底板混凝土已浇筑至Y0+087.0。为使结构基础全部直接坐落于基岩面上，对泄槽尺寸进行调整，将右边墙从桩号Y0+087.0处开始，将泄槽段右边墙向内收缩，至桩号Y0+207.0处，泄槽净宽为由28 m渐缩至23 m，边墙偏转角为2.39°，直至挑流鼻坎段边墙，按此角度顺延。

3.2 水力学计算

校核洪水位为538.53 m，校核泄量为973 m3/s；设计洪水位535.50 m，泄量Q=503.75 m3/s。

（1）水面线计算

按校核洪水工况考虑，依据《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）附录A.3.1之规定，溢洪道泄槽水面线应根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式：

式中：Δl1-2——分段长度，m；

h1、h2——分段始、末断面水深，m；

v1、v2——分段始、末断面的平均流速，m/s；

α1、α2——流速分布不均匀系数，取1.05；

θ——泄槽底坡角度，°；

i——泄槽底坡，I=tgθ；

J——分段内平均摩阻比降；

n——泄槽槽身糙率系数，取0.015；

v——分段平均流速，v=（vi+vi+1）/2，m/s；

R——分段平均水力半径，R=（R1+R2）/2，m。

采用A.3.2公式计算掺气水深：

式中：ha——掺气后水深，m；

ζ——修正系数；

h、v——不掺气时计算断面水深、流速。

（2）泄槽边墙高度确定

在考虑掺气水深后，再加上0.5 m的安全超高，即为泄槽边墙的高度，不同桩号泄槽边墙的高度见表1。

表1 分段求和法计算水面线成果表

（3）泄槽边墙收缩角度复核

泄槽收缩段从桩号Y0+087.00开始，至出口桩号Y0+207.00处结束，泄槽净宽从28.0 m缩窄5.0 m，至23.0 m，边墙的偏转角为θ=2.39°＜6.0°，根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2000）的3.4.4条，可不进行冲击波的验算。

优化后的掺气水深，较原设计的计算成果略有上升，但边墙高度仍能满足要求，泄槽尺寸满足泄流能力要求。

（4）挑距和冲坑复核

依据《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）附录A.4.1、A.4.2之规定，挑距和冲坑计算结果见表2。

表2 溢洪道挑距和冲坑计算成果表

消能建筑物在校核、设计洪水位敞泄时，能够满足要求。

3.3 泄槽右侧边墙优化设计

因泄槽右侧基岩面过低，右侧边墙基岩的支持力消失，挡墙变为悬臂结构。为此，改变边墙尺寸：泄槽段右侧边墙厚度由500 mm变为600 mm，墙基础宽度由1 500 mm变为3 600 mm，其余不变；挑流段右侧边墙厚度由500 mm变为600 mm，其他不变。按照拟定的尺寸对结构进行计算，满足稳定和强度要求。

4 结语

溢洪道泄槽段，沿轴线方向一般情况下宜为等宽，本溢洪道工程在平面布置时也遵循了这一原则。但是桩号Y0+159.0—Y0+215.5段的右岸边墙处基岩面偏低，若按原设计方案，势必要增加基础混凝土630 m3。设计者因地因时制宜，根据实际的工程情况，改进设计，达到了经济、安全的目的。新设计溢洪道在桩号Y0+159.0—Y0+215.5段建基面较原设计低了3 m左右。通过平面优化设计，不仅节省了工程量，而且溢洪道的各项指标也满足规范要求。