洋河水库除险加固工程泄流建筑物方案设计

韩李明

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250）

0 引言

洋河水库位于河北省秦皇岛市抚宁区大湾子村北洋河干流上，控制流域面积755km2，总库容3.86亿m3，为大（2）型水利枢纽工程。水库任务以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉及发电等综合利用。水库枢纽由拦河坝、正常溢洪道、非常溢洪道、泄洪洞、发电引水隧洞、西干渠放水洞、水电站及引青济秦供水工程进水口等建筑物组成[1]。

水库自投入已运行五十余年，工程建设周期较长，设计和施工的技术、装备水平受当时条件的限制，工程竣工后留有一些先天不足，给工程安全运行带来了许多不利因素。考虑洋河水库是典型的“三边”工程，投入运行的时间较长，如何选择合理的泄流方案，使下泄洪水平顺归槽，尽量降低对下游防护对象的安全威胁，同时保障河坝左坝肩安全稳定，是除险加固工程泄流方案设计的关键和难点所在。

1 现状调查

洋河水库现有的泄水建筑物包括泄洪洞、正常溢洪道和非常溢洪道，虽然1998年实施过除险加固工程，限于工程投资，未对超期服役的金属结构、电气设备等进行更新改造。所采用的引冲式非常溢洪道，由于可控性与安全度较差，启用时决策困难，一旦启用泄流将无法控制，极有可能危及下游防洪保护对象的安全，已与当前社会经济发展水平、洋河水库重要的地理位置和其承担的重要的防洪任务不相适应。泄洪洞泄洪时，洞身为部分无压、部分有压状态，流态较为复杂，会威胁洞身及左坝肩安全，洞身混凝土衬砌存在较多裂缝，其中环向裂缝居多，多数裂缝存在渗水现象，且有白色析出物。因此，在洋河水库现有工程条件制约下，如何合理地选择泄水建筑物的布置、形式和轮廓设计，优选经济和便于施工的方案，是洋河水库该次除险加固工程设计的关键和难点所在[2]。

现状正常溢洪道位于大坝左岸，为开敞式，由进水渠、闸室、陡槽及尾水渠组成，闸室分3孔布置，堰型为实用堰，采用挑流式消能，最大下泄流量2470m3/s。现状非常溢洪道位于大坝左岸，由进水渠、溢洪口门、挑流段及泄水渠组成，溢洪口门为引冲式自溃坝，大于1000年一遇洪水启用，最大下泄流量4035m3/s。现状泄洪洞位于左坝肩，为半有压圆形隧洞，钢筋混凝土衬砌，采用岸塔式进水口，出口设消力池，最大泄流量198m3/s。

2 影响泄流方案效果的因素分析

洋河水库泄流建筑物方案设计需要解决以下3个问题：1）现有泄洪洞泄洪时流态复杂，根据测压管观测，泄洪洞在有压状态下会影响左坝肩渗流稳定。2）现有非常溢洪道下游有京山、京秦铁路、102国道、205国道和京哈高速公路；主要城镇有抚宁城区、留守营镇及北戴河新区，总人口约40万，耕地面积约3.33×108m2；据初步估计，在现状条件下，启用一次自溃坝式非常溢洪道所造成的直接经济损失可能会达到20亿元左右，间接经济损失更是难以估量。3）现有正常溢洪道左岸没有扩建空间，右岸为国家2级保护动物白鹭的临时栖息地，工程扩建不可避免地需要占用部分地块。

3 泄流方案设计

水库枢纽是一个由挡水、输水及泄水等建筑物组成的综合体，溢洪道、泄洪洞等组成水库的泄水建筑物，承担着水库洪水下泄的重大任务。泄水建筑物的布置、形式和轮廓设计等取决于水文、地形、地质以及泄水流量、泄水时间、上下游限制水位等任务和要求。设计时，一般先选定泄水形式，拟定若干个布置方案和轮廓尺寸，再进行水利和结构计算，结合枢纽中其他建筑物进行综合分析，选用既满足泄水需要又经济合理、便于施工的最佳方案。

该文经过对工程现场实际情况的认真分析，并借鉴国内外先进的大坝泄洪建筑物设计经验，根据相关规范、规程的要求，通过水力学计算及数值模拟分析计算，初步确定了适合该工程的泄水建筑物设计方案，并进行了对比分析。

3.1 泄洪洞运行方案选择

为了改善泄洪洞洞内流态，考虑以下两种方案：1）采用工作闸门局开控制泄流量，按无压洞设计。2）在泄洪洞出口增设工作闸门，将泄洪洞改建为有压洞。方案比选如下。

方案一：通过限制进口工作闸门开度，保证泄洪洞身处于无压流状态。此方案仅需对泄洪洞进行简单的维修改造及缺陷处理即可满足要求。方案二：将泄洪洞改建为有压洞，考虑原洞身衬砌裂缝较多，且多数裂缝存在渗漏，并有白色析出物，因此对洞身的加固采用将洞身衬砌拆除重新浇筑的措施。

方案一将泄洪洞按无压洞运行，安全性高且施工难度小，投资也比改建有压洞方案大大减少，但需要通过闸门开度控制泄流量，10年一遇洪水需要和溢洪道配合使用，运行管理较复杂。方案二将泄洪洞改建为有压洞，加大了泄流量，10年一遇洪水不需启用溢洪道，运行管理相对简便。但需要在出口增设工作闸门，并将洞身衬砌拆除重建，因此大大增加了土建投资；从施工导流角度来看，泄洪洞进口施工围堰的施工难度非常大，实施的可能性很低；从运行安全方面考虑，由于泄洪洞紧邻主坝且进水塔下游山体较薄，岩层主要为强风化花岗岩，一旦出现洞身裂缝贯穿衬砌或者止水失效等情况，势必影响主坝安全，因此按有压洞运行比无压洞安全性低。

经综合比选，设计方案推荐采用安全性高、投资少的无压洞方案。

3.2 溢洪道改扩建方案选择

该文以是否保留非常溢洪道的泄流功能为序拟定了以下3种方案。

方案Ⅰ：将非常溢洪道自溃坝改建成永久副坝，通过改、扩建建正常溢洪道，拟定以下两个方案。1）将现有正常溢洪道拆除，新建5孔闸，单孔净宽12.5m；堰顶高程降至53.51m，堰型采用驼峰堰；底板与闸墩采用分离式钢筋混凝土结构，边墩采用衡重式挡土墙；新建启闭机室及交通桥。2）将现有正常溢洪道拆除，新建3孔闸，单孔净宽12.0m；堰顶高程降至47.00m，堰型采用宽顶堰；底板与闸墩采用分离式钢筋混凝土结构，边墩采用衡重式挡土墙；新建启闭机室及交通桥。

方案Ⅱ：非常溢洪道自溃坝维持现状不变，通过改、扩建建正常溢洪道，拟定以下3个方案。1）将现有正常溢洪道拆除，新建4孔闸，单孔净宽12.5m；堰顶高程降至53.51m，堰型采用驼峰堰；底板与闸墩采用分离式钢筋混凝土结构，边墩采用衡重式挡土墙；新建启闭机室及交通桥。2）将现有正常溢洪道拆除，新建3孔闸，单孔净宽12.0m；堰顶高程降至49.00m，堰型采用宽顶堰；底板与闸墩采用分离式钢筋混凝土结构，边墩采用衡重式挡土墙；新建启闭机室及交通桥。3）将现有正常溢洪道闸墩、上部结构及右侧上下游挡墙拆除重建，保留底板及实用堰。并进行相应的加固处理，加固后堰顶高程仍保持53.91m，中墩厚2.0m，为3孔，单孔净宽11.5m；在右侧新建2孔，单孔净宽9.0m，溢流堰堰型采用驼峰堰曲线，堰顶高程为汛限水位53.51m。

方案Ⅲ：将非常溢洪道自溃坝改建成常规闸，启用标准仍维持超1000年水位启用。非常溢洪道改建为5孔闸，单孔净宽12.0m，采用宽顶堰，堰顶高程56.31m；新建启闭机室及交通桥。将现有正常溢洪道拆除，新建3孔闸，单孔净宽12.0m，溢流堰堰型采用驼峰堰曲线，堰顶高程降低至53.51m；底板与闸墩采用分离式钢筋混凝土结构，边墩采用衡重式挡土墙；新建启闭机室及交通桥。

3.3 溢洪道改、扩建方案综合比较

溢洪道改扩建方案综合比较汇总表见表1。

表1 溢洪道改扩建方案综合比较汇总表

经上述综合比较，推荐方案如下：非常溢洪道自溃坝改建成副坝，相应正常溢洪道堰顶高程降至53.51m（汛限水位），向右侧扩至5孔。

将现有正常溢洪道拆除新建5孔闸，单孔净宽12.5m；溢流堰堰型采用驼峰堰曲线，堰顶高程降低0.4m至53.51m；底板与闸墩采用分离式钢筋混凝土结构，边墩采用衡重式挡土墙。新建启闭机室及交通桥。

非常溢洪道自溃坝改建成副坝。副坝防洪标准同主坝，为100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。坝顶高程66.81m，上游坝肩设混凝土防浪墙，下游坝肩设浆砌石防护墩；坝顶设置净宽7.0m混凝土路面，兼做左侧村庄交通通道；上游坝坡1∶3，下游坝坡1∶2。

3.4 泄水建筑物泄量计算

3.4.1 泄洪洞泄流能力计算

泄洪洞设计结合溢洪道加固方案，采用闸门局开控制泄流量，按无压洞设计，计算保证泄洪洞洞身为无压流下的情况下，泄洪洞所能通过的最大设计流量和闸门开度e。其泄流量可由闸孔自由出流的公式计算[3]，如公式（1）所示。

式中：H为由有压短洞出口的闸孔底板高程起算的上游水深（m）；ε为有压短洞出口工作闸门垂直收缩系数；e为闸孔开启高度（m）；B为水流收缩断面处的底宽（m）；μ为短洞有压段的流量系数。

3.4.2 溢洪道泄流能力计算

根据《溢洪道设计规范》[4]，开敞式实用堰的泄流能力计算公式如公式（2）所示。

式中：Q为流量（m3/s）；B为溢流堰总净宽（m）；H0为计入行进流速水头的堰上总水头（m），H0=H+v2/2g；g为重力加速度（m/s2），取g=9.81m/s2；C为上游堰坡影响系数，取C=1.0；m为流量系数；ε为闸墩侧收缩系数；σs为淹没系数，取σs=1.0。

溢洪道驼峰堰流量系数通过水工模型试验的成果选用，根据溢洪道泄流能力试验数据拟合出水位-流量经验关系。泄流能力采用综合流量系数表示，包括上游库区地形、引水渠、堰面曲线、侧收缩、闸孔开启方式等条件的影响。溢洪道综合流量系数曲线表达式如公式（3）所示[2]。

3.4.3 自溃坝泄流能力计算

引充式自溃坝溃坝后，过流能力按宽顶堰公式进行计算，如公式（4）所示。

式中：Q为流量（m3/s）；B为堰顶总净宽（m）；H0为计入流速水头的堰上总水头（m）；m为宽顶堰流量系数，取m=0.385；ε为侧收缩系数，取0.986~0.998；σ为自由出流，取σ=1。

3.5 方案验证

3.5.1 洪水调节演算验证

根据确定的水库调度运用方式和泄水建筑物水位-泄量关系进行洪水调节演算[5]，以上6个方案的调洪演算结果见表2。

由表2可以看出，推荐方案的特征水位、下泄流量与水库原特征指标较为一致，在满足水库泄流安全的情况下，基本不会改变水库原运行调度方式。

表2 不同方案调洪演算成果

3.5.2 水工模型试验验证

水库泄流建筑物设计方案通过整体水工模型试验进行进一步优化验证。根据试验目的和试验条件，通过建立模型比尺1∶65的溢洪道整体水工模型，针对洋河水库溢洪道全开与局部开启条件下的泄流能力、溢洪道沿程水面线与压强分布、出口体型与流态变化、消能冲刷与河道岸边流速等问题，进行了系统的试验研究，试验结果验证了推荐方案的合理性[2，6-7]。推荐方案水工模型试验布置如图1和图2所示。

图1 溢洪道模型上游情况

图2 溢洪道模型闸室安装情况

4 结语

水库的防洪与泄洪安全关乎国计民生，是水库工程设计的重中之重。在受现有工程制约的情况下，该文通过多方案优选，采用了“泄洪洞通过控制流量改为无压洞运行，非常溢洪道自溃坝改建成副坝，相应正常溢洪道堰顶高程降至53.51m（汛限水位），向右侧扩至5孔”的泄流布置组合方案，并对不同的方案组合进行了调洪演算。根据演算成果，所有比较方案均可行，但推荐方案的特征指标更接近水库原设计指标，推荐方案更合理。推荐方案扩建溢洪道受场地限制，但通过整体水工模型试验，该文对溢洪道布置进行了调整和优化，使推荐方案更可行和合理。