黟县拜年山水库溢洪道工程设计

丁艳芳

（安徽荣景工程设计咨询有限公司,安徽 合肥 230000）

1 溢洪道布置

坝址区两岸为高山,附近没有合适的天然垭口,难以布置岸边式溢洪道。本工程选择了坝身泄洪的方式。本工程为小（1）型工程,工程管理设施相对简单,管理人员较少,为了工程管理方便,选定在坝顶设开敞式溢流表孔,不设闸门控制,堰顶高程平汛限水位（正常蓄水位）330 m。拜年山水库泄洪任务全部由溢流表孔承担,通过表孔泄洪,可使拜年山水库达到30 年一遇设计、200 年一遇校核洪水标准。由于河道走向原因,为使进流平顺,并尽量减小对下游岸坡的冲刷影响,溢流表孔布置在河床段靠左岸部位。

2 溢洪道结构设计

2.1 控制段结构设计

泄洪方式采用坝身自由溢流,溢流表孔位于河床段,左侧边墙距大坝左坝头建基面的水平距离为54.8 m。溢流堰顶高程为330.00 m,平正常蓄水位；溢流总净宽为20 m,均分为2 孔。溢流表孔为开敞式WES 堰,堰面曲线由三段组成。

（1）堰顶（坐标原点,下同）上游段为三圆弧曲线（见表1）,曲线上游端下接竖直段至327 m 高程,以下按1∶1 倒坡与坝体相连接。

表1 堰顶上游三圆弧曲线

（2）堰顶下游采用幂曲线,定型设计水头Hd取2.5 m,为200 年一遇校核洪水位时堰顶最大水头Hmax（3.06 m）的81.7%。堰面曲线方程为：x1.85=2×（2.5）0.85×y。

（3）溢流堰面以1∶0.75 的直线段与反弧段连接。反弧半径11 m,挑角20°,鼻坎顶高程284.90 m。

溢洪道均分为2 孔,设中墩1 个,中墩顺水流方向长6.4 m,厚2 m,上下游墩面为半径1 m 的半圆形弧面。两侧边墩厚1.2 m,上游端为半径1 m 的1/4 圆弧+0.2 m,边墩顺水流方向长6.4 m,边墩下游端与泄槽侧墙连接。溢洪道顶部设2 跨梁板式工作桥,净跨10.0 m,与溢洪道墩墙整浇,分缝位置与缝宽同坝体横缝。桥面板厚0.5 m,采用C30 现浇钢筋混凝土,桥面横坡为双向1.5%,通过护栏基础排水管向两侧排水。桥面净宽4.5 m,两侧护栏基础宽0.5 m 高0.2 m,桥面总宽为5.5 m。工作桥两端设仿汉白玉栏杆,高度不小于1.2 m。工作桥与两侧坝顶之间通过1∶8 缓坡进行连接。

2.2 泄槽段结构设计

溢洪道泄槽两侧边墙顺水流向平行,与控制段边墩下游侧等厚齐平,垂直于坝轴线,泄槽段净宽22 m。泄槽段底板底坡坡度为1∶0.75,与坝身之间采用阶梯状连接,底板泄槽法向厚度1.4 m～2.0 m。由于泄槽内泄洪流速较大,为避免冲蚀采用C40 现浇钢筋砼结构（分析内容见“防空蚀设计”章节）,泄槽底板与坝身之间设插筋连接。泄槽底板设纵横缝各一道,分缝位置与坝体分缝保持一致。缝间设双层止水,表层为紫铜片止水,下层为橡胶止水。

泄槽边墙与底板保持一致,采用C40 钢筋混凝土结构,厚1.2 m,边墙竖向高度3.8 m,泄槽边墙坡度与溢流面保持一致为0.75。

2.3 挑流段结构设计

河床覆盖层3.0 m～4.0 m,为冲堆积的砂卵石和人工弃石及山坡崩塌的大块石,河床下覆岩层呈弱风化至微风化状态,节理裂隙不发育,仅有几条以岩层面裂隙出现,且细闭短小,裂面附有方解石薄膜,胶结良好,岩层倾向上游,岩体较完整,抗冲刷能力较强。岩层产状倾向300°～320°∠68°～72°。本次拜年山水库采用挑流消能,挑流鼻坎为连续式挑坎,挑弧半径及挑坎顶高程维持原可研不变,设计挑弧半径11 m,挑流鼻坎顶高程288.50 m,经过比选挑角采用20°,高于下游最高水位284.56 m（P=0.5%）,挑弧最低点高程287.84 m。挑流鼻坎与泄槽段一致,采用C40 现浇钢筋砼,与坝身之间设插筋连接。鼻坎混凝土底部水平,高程284.84 m,在挑弧最低点厚3 m,挑流鼻坎悬挑0.9 m。

2.4 下游护坦结构设计

挑坎下游设置一定长度的护坦,对经常宣泄小洪水又不能将下泄水流挑离挑坎的溢洪道,尤为重要。为减少泄放小流量时贴壁流及跌流冲刷挑坎基脚而影响建筑物安全,本次设计拟在挑坎下游结合坝基施工开挖面回填C15 砼,在C15砼表面设置1.5 m 厚护坦,顺水流方向长9.4 m,沿坝下全断面布置,垂直水流方向宽38.5 m。护坦顶高程278.00 m,为避免水流冲蚀采用C30 现浇钢筋砼。

2.5 游护岸结构设计

拟建坝址下游现状河道岸坡未护砌,局部岸坡崩塌,为防止水库泄洪时水流冲刷加剧下游岸坡失稳,在大坝下游河道两侧新建扶壁式挡土墙护岸及浆砌石护坡。挡墙墙身总高度10.8 m～7.7 m。其中大坝下游右岸闸阀室平台附近挡墙高度为10.8 m,挡墙顶高程同闸阀室平台288.00 m,底板前趾高程与护坦顶高程一致,为278.00 m。该段护岸长20 m,墙身厚0.8 m,底板厚0.8 m,趾板长0.8 m,踵板长7.0 m,扶壁厚度0.8 m,扶壁净间距5 m。挡墙趾板与护坦连接部位设橡皮止水。挡墙基础坐落在基岩上,挡墙根部设防冲凸隼,凸隼高0.8 m,与墙身等厚。

大坝下游左岸及右岸后段挡墙高度为7.6 m,其中左岸挡墙长10 m,右岸长64 m（右岸另有过渡段挡墙长30 m,挡墙高10.7 m～7.7 m）。墙身厚0.7 m,底板厚0.7 m,趾板长0.7 m,踵板长5 m,扶壁厚度0.7 m,扶壁净间距5 m。挡墙趾板与护坦连接部位设橡皮止水。挡墙根部设防冲凸隼,凸隼高0.7 m,与墙身等厚。大坝挡墙顶部大坝左岸挡墙后接M10 浆砌石护坡,护坡厚0.6 m,浆砌石护坡高度可根据实际基岩面出露情况进行调整,但不得高于6 m、坡度不得陡于1∶1.1。护坡底部设C25 砼护脚墙。

3 溢洪道过流能力复核

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）规定开敞式溢洪道采用WES 实用堰,上游堰高P=41.4 m,P/Hd＞1.33 为高堰,堰顶高程为330.00 m,采用堰流公式A.2.1-1：

式中：Q 为泄流量,m3/s；n 为闸孔数目,为2；b 为单孔宽度,为10 m；H0为计入行近流速水头的堰上总水头,m；m 为流量系数；c 为上游堰坡影响系数,上游堰面铅直时c=1.0；ε为闸墩侧向收缩系数,其中ξ0和ξk分别为中墩和边墩形状系数；σs为淹没系数,取1.0。

溢流堰泄流能力计算结果见表2。

表2 溢洪道泄流能力计算结果

在30 年一遇设计水位332.14 m 和200 年一遇校核水位333.06 m情况下,溢洪道的泄流能力分别为134 m3/s、233 m3/s。加之本次计算未考虑行进流速水头作用,因此溢流堰泄流能力满足调洪演算所需下泄流量的要求。

4 溢洪道控制段高程复核

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）,结合本工程溢洪道采用无闸控制自由泄流型式,控制段闸墩及岸墙顶部高程取下列两种计算值较大值：

计算结果见表3。

表3 溢洪道控制段高程复核成果表

根据计算,溢洪道控制段墩墙顶部高程不得低于333.36 m。本次设计溢洪道控制段闸墩顶高程为333.70 m,满足要求；工作桥梁底应高出最高水位不小于0.5 m,工作桥梁底高程为333.70 m,桥下净空高度满足要求。

5 溢洪道消能计算

河床覆盖层3.0 m～4.0 m,为冲堆积的砂卵石和人工弃石及山坡崩塌的大块石,河床下覆岩层呈弱风化至微风化状态,节理裂隙不发育,仅有几条以岩层面裂隙出现,且细闭短小,裂面附有方解石薄膜,胶结良好,岩层倾向上游,岩体较完整,抗冲刷能力较强。岩层产状倾向300°～320°°∠68°～72°。本次设计溢洪道采用挑流消能,根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）,本工程消能防冲建筑物设计洪水标准选用20 年一遇洪水,对应水库下泄流量为107 m3/s。

消能设施对于消能防冲设计标准的洪水及以下各级洪水,尤其是常遇洪水及可能出现的不利情况,应结构可靠、消能效率高,并具有良好的防空蚀、抗磨蚀、抗冰害能力；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局部破坏,但不应危及大坝及其他主要建筑物安全,且应易于修复,不影响枢纽长期运行。因此本次初步设计对各级流量下溢洪道消能防冲情况进行计算,并据此对消能防冲建筑物设计进行复核。

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）规定,水舌抛距按如下公式计算：

式中：L 为水舌抛距,m；v1为坎顶水面流速,m/s,按鼻坎处平均流速v 的1.1 倍计；θ为挑流鼻坎的挑角,（°）；h1为坎顶垂直方向的水深,m,h1=h/cosθ；h2为坎顶至河床面高差,m,如冲坑已经形成,可算至坑底；h 为坎顶平均水深,m；g 为重力加速度,m/s2。

挑坎平均流速v 可按以下两种方法计算：

1）方法一：按照流速公式计算,适用范围：S＜18 q2/3。

式中：φ为堰面流速系数；v 为挑坎末端断面的平均流速,m/s；Z0为坎顶末端断面水面以上的总水头,m；hf为泄槽沿程损失水头,m；hj为泄槽各项局部水头损失之和,m,可取hj/hf为0.05；S 为泄槽流程长度,m；q 为泄槽单宽流量,m3/（s·m）。

2）方法二：按推算水面线方法计算,挑坎末端水深可近似采用泄槽末端断面水深,按推算泄槽段水面线方法求出；单宽流量除以该水深可得挑坎断面的平均流速。

最大冲坑水垫厚度计算公式如下：

式中：T 为水垫厚度,自水面算至坑底,m；tk为冲坑深度,m；q 为单宽流量,m3/（s·m）；h'为下游水深,m；Z 为上下游水位差,m；k 为冲刷系数,其中冲坑系数按k 偏安全考虑取1.4。

计算成果见表4。

根据计算结果,消能防冲20 年一遇设计洪水标准下,计算水舌挑距为35.02 m,冲坑位于下游河道中部,水垫厚度8.15 m,冲坑深度2.75 m,冲坑上游边坡约为1∶12.73,满足要求。同时从上表中可以看出,各计算工况下冲坑坑底距坝脚之间的坡度均较缓,满足安全坡度要求,对坝脚稳定不会产生影响。在校核条件下,计算水舌挑距较远,为尽量保证安全,减少泄洪水流对其他建筑物的破坏,本次结合坝线比选将坝轴线绕左岸坝肩向下游旋转8°的同时,将溢流坝段向左岸坝肩方向平移5 m。另一方面将闸阀室进场道路进行调整,向右侧开挖部分山体将闸阀室进场道路进一步向右偏移。经过以上处理,校核洪水时水舌挑距最远端距离闸阀室进场道路约6 m。一定程度上可减小校核洪水这一特殊工况下水流对下游闸阀室进场道路及岸坡的冲刷破坏,减小修复工作工作量及修复难度。

6 结语

溢洪道用于宣泄规划库容所不能容纳的洪水,保证坝体安全的开敞式或带有胸墙进水口的溢流泄水建筑物。溢洪道一般不经常工作,却是水库枢纽中的重要建筑物,因此,本文重点分析了黟县拜年山水库溢洪道工程设计,溢洪道的布置、溢洪道结构设计、溢洪道过流能力复核、溢洪道控制段高程复核、溢洪道消能计算。