烂塘水库溢洪道水力计算实例

王海军 瞿 泓 陈擎伟 贵州水利水电职业技术学院 贵州 贵阳 551416

一、工程概况

烂塘水库位于都匀市南郊小围寨办事处辖区内,工程主要由水库枢纽和灌溉渠系建筑物组成。水库枢纽包括大坝、溢洪道、放水设施等建筑物。该工程于1981 年建成,溢洪道位于大坝左岸,为岸边开敞式自由溢流,全长48.0m,堰顶高程为1192.7m,溢流净宽1.8m。泄槽段为溢洪洞,洞长44.5m,呈城门洞型,洞宽1.8m,边墙采用混凝土浇筑,高1.0m,厚0.4m,顶拱为砂浆砌料石,顶拱直径为1.8m,厚0.36～0.4m 不等,洞身净高1.9m,底板为浆砌块石砌筑,出口未设置消能设施,为天然陡坎,基岩裸露。溢洪道底板局部损坏,溢洪洞洞顶有砌石脱落现象,泄槽边坡未作支护处理,易垮塌堵塞溢洪道,末端未设消能设施。

二、工程措施

经复核,水库在现状下抗洪能力不满足规范要求,按边墙预留0.3m 的超高计算,现状溢洪道容许最大下泄流量为1.8m/s,需采取措施进行处理。对于溢洪道下泄能力不足的问题,采用的以下两种方案进行比较。第一种方案为加宽溢流宽度,提高其泄洪能力,这一方案可适当降低水库水位;第二种方案为延长坝顶防浪墙至溢洪道右边墙,提高其溢流深度,达到设计的洪水安全下泄的目的,这种方案水库水位相对较高,需加高坝顶下游侧的坝体。两方案比较,方案一投资较方案2节省5.16万元,最高洪水位较方案2低0.32m。由此可见,方案二不仅投资高,而且最高库水位也较方案一高,增加了水库抗洪的风险,因此从工程运行安全及节约投资的角度出发,溢洪道改造方案选用方案一——在坝顶增设溢洪道,同时对原有的岸坡溢洪道进行整治加固。

三、坝顶增设溢洪道水力计算

根据《溢洪道设计规范》(SL253-2000)规定,本工程溢洪道泄洪能力按200年一遇(P=0.5%)洪水标准下泄流量设计,消能防冲洪水标准取10年一遇(P=10%)下泄流量设计。

1.下泄能力复核

按照《溢洪道设计规范》(SL253-2000),泄流能力按下式计算:

式中:Q—泄流量,m/s;M-综合流量系数,M=1.5;B-溢流堰宽度,5.8m;H-堰上水头。

按满足校核洪水所需超高0.711m 计,现防浪墙顶部高程为1194.70m,其最大泄洪能力可达到12.73m/s(其中坝顶溢洪道下泄8.78m/s,岸坡溢洪道下泄3.95m/s),能满足下泄校核洪水下的7.89m/s的要求。

2.泄水槽段水面线

(1)岸坡溢洪道

泄槽水面线根据《溢洪道设计规范》(SL253-2000)中能量方程,用分段求和法计算,计算公式如下:

式中:

根据上述条件及公式,当发生校核洪水时(P=0.5%),校核洪水位1193.64m,最大下泄流量Q=2.5m/s,经计算,溢洪道泄槽段各断面水深与平均流速计算成果,见表1。

表1 岸坡溢洪道泄水槽段特性表

(2)坝顶溢洪道

计算公式见前述,当发生校核洪水时(P=0.5%),校核洪水位1193.64m,最大下泄流量Q=5.5m/s,经计算,溢洪道泄槽段各断面水深与平均流速计算成果见表2。

表2 坝顶溢洪道泄水槽段特性表

3.下游挑距计算

由于岸坡溢洪道尾端为天然跌坎,且基岩裸露,出口距大坝较远,下泄洪水不会对工程区建筑物造成危害,故不设置专门的消能设施。在坝顶溢洪道泄槽尾段设置了挑流鼻坎,将下泄水流挑离泄槽,确保大坝安全,鼻坎高程为1177.61m,挑角为23°。挑流消能的水力要素按照《溢洪道设计规范》(SL253-2000),水流挑距估算公式为:

式中:L—水舌挑距(m),L为鼻坎下游垂直面到挑流水舌外缘进入下游水面后与河床面交点的水平距离(m);v1—坎顶水面流速(m/s),取坎顶平均流速v的1.1 倍;θ—鼻坎的挑射角(°),23°;h1—坎顶平均水深h在铅直方向的投影(m),即h1=hcosθ;h2—坎顶至河床表面高差(m);g—重力加速度。

溢洪道下泄不同洪水标准时相应的水力特性见表3。

表3 挑距和冲坑计算成果表

冲坑底高程均高于大坝建基面,下泄水流不会对大坝的安全造成危害,泄洪是安全的。

四、坝体溢洪道结构设计

1.结构布置

坝体溢洪道布置于河床中部靠左岸,为无闸控制自由溢流,堰顶高程为1192.70m。横向总长5.0m,包括溢流孔、两个边墩,溢流孔宽4.0m,边墩厚为0.5m。溢流段最大坝高21.0m,建基面高程1171.7m,底宽20.17m。闸墩顶高程为1194.20m,边墩结合导墙设置,延伸至挑流鼻坎末端。为了减少工程量,导墙自1192.7m 以下向内侧收缩,收缩角为3.77°,鼻坎末端溢流宽度为2.0m。溢流堰堰头修圆,夹角为90°,半径为0.5m,堰型采用宽顶堰,泄槽首段也作修圆处理,夹角为51°,半径为3.0m。堰面下游为1:0.82的斜坡连接段,后接挑流反弧段,反弧半径3.0m,挑射角23°,鼻坎末端高程1177.61m。边墙、堰面均采用C25钢筋混凝土。

在坝顶溢洪道进口布置一跨简支现浇人行交通桥连接两侧交通,解决水库运行管理与维护的要求。桥净跨为4.0m,桥面宽度1.6m,板厚0.2m。交通桥板采用C25钢筋混凝土钢筋混凝土浇筑。

2.边墙高度计算

根据前述水力计算成果,按《溢洪道设计规范》(SL253-2000)的规定进行边墙高度计算。计算成果,见表4。

表4 泄水槽段边墙高度计算成果表

五、加固改造后评价

加固改造处理后,溢洪道能下泄要求的最大泄量,泄槽、边墙强度、稳定性满足规范要求,采用挑流消能的方式冲坑底高程高于大坝建基面高程,泄洪是安全的。项目完成后,能够在防洪的同时,还可以解决一部分农业灌溉用水,促进当地的经济发展,能够带来很大的社会经济效益。