基于混凝土溢流壩最優(yōu)布置方案的選擇

譚立清，邵明貴

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽110006)

1 引言

在重力壩的設計中溢流壩段的布置方案至關重要，因為它直接關系到重力壩樞紐投資大小，最佳的溢流壩布置方案可以使工程投資最少。溢流壩段的布置主要為堰頂高程和泄流凈寬的選擇。溢流壩段的布置要考慮很多的因素，要綜合考慮水庫的規(guī)模、河道的水文條件、壩下河床的抗沖能力，下游河道防洪標準以及庫區(qū)淹沒等。在滿足各項要求的條件下有多種溢流壩段堰頂高程和泄流凈寬的選擇，從中找出最優(yōu)布置方案是一個非常繁瑣和耗時的過程。以下根據《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL319－2005)壩頂高程計算公式來說明溢流壩最優(yōu)布置方案的選擇方法。

2 重力壩壩頂高程的計算

重力壩壩頂高程按照《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL319－2005)規(guī)定:水庫靜水位+壩頂超高，壩頂超高計算公式為:

式中:△h為防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m;h1%為波高，m;hz為波浪中心線至正?；蛐：撕樗坏母卟?，m;hc為安全加高，m。

從以上重力壩壩頂高程的計算公式中可以看出，壩頂超高△h為防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差。在正常蓄水位的工況下，波浪要素計算采用的風速值為重現(xiàn)期50 a的年最大風速;在校核洪水位的情況下波浪要素計算采用的風速值為多年平均最大風速。重現(xiàn)期為50 a的風速大于多年平均最大風速，因此正常蓄水位情況下計算出的波浪超高要素值大于校核洪水位情況下波浪超高要素值。水庫的校核洪水位高于正常蓄水位，因此，在某一堰頂高程(泄流凈寬)情況下，就對應一種泄流凈寬(堰頂高程)，正常蓄水位工況和校核洪水位工況算出的壩頂高程相同，這時的溢流壩布置方案就為該堰頂高程(泄流凈寬)的最優(yōu)布置方案。在堰頂高程不變的情況下，我們繼續(xù)增加溢流壩段的泄流寬度，就會使校核洪水位降低，但壩頂高程不變，因為此時壩頂高程是由正常蓄水位控制，增加溢流壩段的長度，反而增加了工程投資。同時，在泄流凈寬不變的情況下，繼續(xù)降低堰頂高程，會使校核洪水位降低，但壩頂高程同樣不變，因為壩頂高程同樣是由正常蓄水位控制，降低堰頂反而增加了閘墩的長度，增加了金屬結構的工程量，也同樣會增大投資。按照正常蓄水位和校核洪水位算出的壩頂高程相等的原則，對于溢流壩的每一個堰頂高程總會有一個泄流寬度與之對應，選定幾組進行投資比較計算，可以從中找出最佳溢流壩布置方案。采用以上方法一般選擇3～4組進行布置和工程量投資計算，從中選擇投資最優(yōu)布置方案。

3 溢流壩段最佳布置方案選擇過程

3.1 確定壩頂高程

根據規(guī)劃給定的正常蓄水位，按照《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL319－2005)的壩頂高程計算公式，計算出壩頂高程。

3.2 推算校核洪水位

根據已算出的壩頂高程，考慮風浪要素等推算出校核洪水位。

3.3 擬定堰頂高程和泄流凈寬

擬定幾個堰頂高程，然后根據已有的校核洪水位，通過調洪來試算出每一堰頂高程所對應的泄流寬度。在擬定堰頂高程和泄流凈寬時，要與金屬結構專業(yè)配合考慮閘門的合理布置。壩段的長度，也是閘門寬度選擇所需考慮的因素，過寬的閘門布置可能會使溢流壩段和門庫壩段長度過長，超出規(guī)范規(guī)定，對大壩溫度應力不利。在閘門孔數(shù)小于8孔時，一般選奇數(shù)孔閘門布置，當孔數(shù)超過8孔時，可選擇奇數(shù)孔也可以選擇偶數(shù)孔。單孔凈寬選擇考慮閘門的最優(yōu)體形布置，合理的高寬比，在北方地區(qū)選擇范圍一般為10～15 m。

3.4 進行樞紐布置，計算工程量

根據選定的幾組堰頂高程和泄流凈寬，進行樞紐布置，算出工程量和投資，并進行比較選出最佳布置方案。

以上最優(yōu)方案的選擇在溢流壩敞泄，同時無其他的泄流設施參與泄洪時，是一個行之有效方法，根據筆者的實際工作經驗，采用此種方法能夠很快找到溢流壩最優(yōu)布置方案。

4 工程實例

猴山水庫工程位于遼寧省綏中縣狗河中游，工程等別為II等，工程規(guī)模為大(2)型，擋水建筑物為混凝土重力壩。重力壩由左右岸擋水壩段、河床溢流壩段、引水壩段和門庫壩段組成，最大壩高50 m。水庫不承擔下游防洪任務，主要是向濱海經濟區(qū)供水，并兼顧灌溉的大型綜合利用水利樞紐工程，水庫正常蓄水位為134.0 m。

根據以上介紹的方法來選擇溢流壩段的最佳布置。

4.1 計算壩頂高程

重現(xiàn)期為50 a的水庫最大風速為20 m，吹程為3 km，計算防浪墻頂高程為137.3 m，壩頂高程為135.24 m。

4.2 計算校核洪水位

根據正常蓄水位和校核洪水位計算壩頂高程相等的原則，由以上算出的壩頂高程來推算校核洪水位。多年平均最大風速為14.4 m，吹程為3.3 km，推算出校核洪水位為135.24 m。

4.3 擬定堰頂高程和泄流凈寬

擬定3個堰頂高程分別為118.5 m、120.0 m和121.5 m，閘門擋水高度分別為15.5 m、14.0 m和12.5 m。根據以上推算出的校核洪水位，來試算泄流凈寬，經計算泄流凈寬分別為49 m、56 m和65.5 m。通過與金屬結構專業(yè)配合，考慮閘門擋水超高，選擇閘孔布置分別為12.25 m×16 m×4(寬×高 × 孔 數(shù))、14 m×14.5 m×4(寬 × 高 × 孔 數(shù))和13.1 m×13 m×5(寬×高×孔數(shù))。

4.4 進行樞紐布置，計算工程量

按以上選定的各組堰頂高程和相對應的閘孔布置方案，進行工程量計算并估算投資，投資比較見表1。

表1 不同堰頂高程與泄流凈寬方案投資比較表萬元

通過比較可以發(fā)現(xiàn)堰頂高程120.0 m，泄流凈寬56 m(4孔)方案投資比較經濟。

5 結束語

本文通過工程實例來說明混凝土溢流壩段最佳布置方案的選擇過程。根據正常蓄水位和校核洪水位計算壩頂高程相等的原則，來推算校核洪水位，并進而選擇堰頂高程和泄流凈寬布置方案，最后通過比較選出最佳溢流壩段布置方案。希望本文介紹的方法能為其它類似工程的設計提供參考。