綜合消能工在溢洪道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王明磊

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng) 110006）

1 工程概況

大風(fēng)口水庫(kù)建成于1975年，總庫(kù)容為2億m3，屬大（2）型水利樞紐工程，水庫(kù)工程等別為Ⅱ等，攔河壩、溢洪道及輸水洞等主要水工建筑物級(jí)別為2級(jí)，是一座以防洪、工業(yè)供水、灌溉為主，兼有養(yǎng)魚等綜合利用的水利樞紐工程。

水庫(kù)溢洪道為2孔開敞式溢洪道，位于攔河壩右側(cè)的山凹處，總長(zhǎng)373 m，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、消能防沖設(shè)施及壩腳防護(hù)五部分組成。其中進(jìn)水渠長(zhǎng)39 m，控制段長(zhǎng)10 m，泄槽長(zhǎng)313 m，消能挑坎段長(zhǎng)11 m。

堰體為無底坎寬頂堰，溢流堰總寬20 m，單孔凈寬9.25 m，堰頂高程104.20 m，設(shè)計(jì)最大泄量1819 m3/s。堰上設(shè)有兩扇9.25×5.50 m升臥式平板鋼閘門。

溢洪道邊墻及底板經(jīng)過30多年的沖刷、凍脹，破壞十分嚴(yán)重，多處起鼓、脫落，混凝土表層剝落，局部鋼筋外露，已嚴(yán)重影響溢洪道結(jié)構(gòu)安全，出口挑坎結(jié)構(gòu)局部破損?；炷吝厜Α⒌装寮伴l墩存在貫穿裂縫，結(jié)構(gòu)縫錯(cuò)位，混凝土局部振搗不實(shí)，粗骨料集中，表面混凝土剝蝕，鋼筋外露、銹蝕等現(xiàn)象；溢洪道進(jìn)水口翼墻、閘墩、底板及側(cè)墻混凝土抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)指標(biāo)均不能滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2 溢洪道存在的問題

在溢洪道施工過程中，由于受到工期、資金及施工工藝等因素的限制，加上施工期間只求進(jìn)度，不顧質(zhì)量，造成目前溢洪道泄洪存有嚴(yán)重安全隱患。

1）溢洪道施工時(shí)，為將溢洪道基礎(chǔ)坐落在新鮮巖石上，兩個(gè)彎道布置于泄槽陡坡段，致使溢洪道布置較為復(fù)雜，水流條件極為不好。溢洪道泄流時(shí)，受兩個(gè)彎道影響，在離心力及正負(fù)擾動(dòng)下，產(chǎn)生沖擊波，在陡槽左右岸邊墻反復(fù)折射，導(dǎo)致彎道處外側(cè)下泄水流水面比內(nèi)側(cè)偏高，這種內(nèi)外側(cè)水位差會(huì)隨著下泄流量的增加，表現(xiàn)得更加明顯。這種理論分析在1992年完成的溢洪道整體水工模型試驗(yàn)中也得到了充分印證。試驗(yàn)顯示，在校核水位工況下泄洪時(shí)，泄槽局部部位外側(cè)水面較內(nèi)側(cè)將高達(dá)4 m。

2）溢洪道泄槽底板坡度起伏較大，從上至下分別為 0.0052，0.40，0.15，0.2，主要是施工時(shí)根據(jù)爆破開挖坡度所定，底板坡度的不規(guī)律性加大了水流流態(tài)的不穩(wěn)定。

3）為減少開挖、縮短工期、節(jié)省資金，溢洪道施工時(shí)修改了最初的設(shè)計(jì)，將溢洪道出口布置在了天然沖溝處，造成了目前下泄水流對(duì)輸水洞和大壩下游壩腳直接構(gòu)成威脅的現(xiàn)狀。

4）在溢洪道邊坡開挖過程中，使用了豎井大爆破，造成邊坡松動(dòng)，且未進(jìn)行必要的處理措施，加上巖石破碎，節(jié)理發(fā)育，邊坡陡峭，一旦出現(xiàn)大體積滑坡和崩塌，將對(duì)溢洪道造成嚴(yán)重堵塞，直接威脅水庫(kù)洪水的安全宣泄。

鑒于溢洪道已經(jīng)運(yùn)行30多年，不僅結(jié)構(gòu)存在諸多問題，而且泄洪存在嚴(yán)重隱患，溢洪道已沒有再修復(fù)的價(jià)值，經(jīng)上級(jí)主管部門批準(zhǔn)，決定將溢洪道拆除重建。

3 加固方案設(shè)計(jì)

3.1 基本資料

3.1.1 水文資料

水庫(kù)樞紐主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，5000年一遇洪水校核。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位113.66 m，溢洪道相應(yīng)泄量823 m3/s，校核洪水位119.48 m，溢洪道相應(yīng)泄量1819 m3/s。

3.1.2 地質(zhì)資料

溢洪道處于壩址右岸兩山山丘鞍部人工開鑿而成，控制段坐落在中風(fēng)化或微風(fēng)化流紋斑巖，現(xiàn)狀地勢(shì)西高東低。區(qū)域?qū)儆趧兾g丘陵地貌單元，受人力活動(dòng)因素影響嚴(yán)重，山體植被發(fā)育。出露基巖巖性主要為流紋斑巖，基巖裸露部分風(fēng)化程度為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化。兩側(cè)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化帶巖體破碎，構(gòu)造和風(fēng)化裂隙密集，結(jié)構(gòu)面錯(cuò)綜復(fù)雜，為破碎狀結(jié)構(gòu)。下部的中風(fēng)化巖體裂隙較發(fā)育，巖體為次塊狀結(jié)構(gòu)巖體，微風(fēng)化基巖巖體趨于完整，為塊狀結(jié)構(gòu)巖體。中風(fēng)化基巖節(jié)理傾向溢洪道內(nèi)，節(jié)理面貫通性強(qiáng)，多為閉合狀，局部裂隙張開，節(jié)理面光滑、平直。各組結(jié)構(gòu)面交錯(cuò)不規(guī)則分布，使巖體被分割成大小不等的碎塊狀，易發(fā)生規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，當(dāng)有大氣降水沖刷時(shí)更加劇失穩(wěn)?？刂贫沃小L(fēng)化流紋斑巖透水率為0.0516～0.0846 L/（min·m·m），滲透性等級(jí)為弱透水。

3.2 溢洪道軸線布置

根據(jù)溢洪道整體水工模型試驗(yàn)結(jié)論，同時(shí)考慮溢洪道現(xiàn)狀地形及地質(zhì)狀況，初步考慮以下三個(gè)設(shè)計(jì)方案，三個(gè)方案進(jìn)口改造相同，主要比較泄槽、消能防沖及壩腳防護(hù)：

方案一（原軸線方案）：維持溢洪道走向現(xiàn)狀不變，依據(jù)1992年溢洪道整體水工模型試驗(yàn)建議，重新修建溢洪道，修建溢洪道挑流沖坑及壩腳防護(hù)墻。

方案二（圓弧-直線延伸方案）：溢洪道前210 m軸線位置維持不變，其后接轉(zhuǎn)向彎道，使下泄水流平順流入河道，對(duì)溢洪道陡坡以下部位重新設(shè)計(jì)。

方案三（泄槽直線延伸方案）：溢洪道前210 m軸線位置維持不變，其后沿泄槽直線延伸,改變溢洪道軸線偏移方向，對(duì)溢洪道陡坡以下部位重新設(shè)計(jì)。各方案溢洪道軸線見圖1。

圖1 溢洪道各方案布置簡(jiǎn)圖

通過對(duì)水力條件、施工工藝、施工工期、工程投資等因素的綜合分析比較，最終選定采用原軸線方案。

3.3 泄槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 斷面設(shè)計(jì)

原溢洪道泄槽有三處漸變段，泄槽底板寬度分別由20 m漸變至15 m，15 m漸變至18 m，18 m漸變至25 m，此外泄槽除局部采用了87m長(zhǎng)梯形斷面，其余斷面均為矩形斷面。

由于下泄水流受到收縮斷面的影響，采用梯形斷面將會(huì)加大流速的不均勻分布，因此，泄槽斷面型式應(yīng)全部采用矩形斷面。

3.3.2 底坡設(shè)計(jì)

原溢洪道泄槽底坡分為四段，從上至下分別為 1∶0.0052，1∶0.4，1∶0.15 和 1∶0.2，主要是施工時(shí)根據(jù)爆破開挖坡度所定。

底板坡度的不規(guī)律性加大了水流流態(tài)的不穩(wěn)定，因此，應(yīng)盡可能使底板坡度連續(xù)，避免坡度起伏過大，確保水流平穩(wěn)銜接。通過對(duì)泄槽臨界底坡的計(jì)算，最終泄槽前段底坡采用1∶0.01，后段約100 m長(zhǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形，底坡采用1∶5，集中形成較大落差。在泄槽底坡變化處采用y=0.01x+x2/35的拋物線方程連接。

3.3.3 彎道設(shè)計(jì)

原溢洪道共有兩處彎道，第一個(gè)彎道距進(jìn)口80 m處，轉(zhuǎn)角為18°，泄槽寬度20 m，轉(zhuǎn)彎半徑50 m；第二個(gè)彎道距進(jìn)口240 m處，轉(zhuǎn)角為46°，泄槽寬度18m，轉(zhuǎn)彎半徑72.5 m。

由于彎道的位置、角度以及轉(zhuǎn)彎半徑均受到現(xiàn)有地形的制約，所以只能通過其他工程措施改善彎道處的水流流態(tài)。

根據(jù)兩處彎道的流速、轉(zhuǎn)角等參數(shù)的不同，采用不同的工程措施進(jìn)行處理：第一彎道由于流速較?。?.11 m/s）、轉(zhuǎn)角較?。?8°）、泄槽較寬，采用設(shè)置簡(jiǎn)單橫向折流坎調(diào)整水流流態(tài)的方法，折流坎坎高取1 m；第二彎道由于流速較大（12.25 m/s）、轉(zhuǎn)角較大、泄槽縮窄，采用底板設(shè)置橫向超高調(diào)整水流流態(tài)的方法，底坡橫向坡度設(shè)置為1∶10。

底板的超高值可采用離心力方程進(jìn)行推導(dǎo)：

在對(duì)泄槽急流彎道內(nèi)外側(cè)橫向水位差的分析時(shí)，分別采用小擾動(dòng)沖擊波理論和經(jīng)驗(yàn)公式兩種方法進(jìn)行了計(jì)算：

1）小擾動(dòng)沖擊波理論計(jì)算公式：

2）彎道段最大橫向水面差經(jīng)驗(yàn)公式：

為保證工程安全可靠，最終采用兩種計(jì)算結(jié)果的較大值作為設(shè)計(jì)值，即第一彎道橫向水面差為1.05 m，第二彎道橫向水面差為1.9 m。

3.4 消能防沖設(shè)計(jì)

由于該工程溢洪道屬2級(jí)建筑物，其消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水，但由于溢洪道臨近攔河壩，出口直對(duì)攔河壩壩腳，一旦破壞必將危機(jī)攔河壩的安全，故其防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與攔河壩相一致，采用5000年一遇洪水，相應(yīng)泄量1819.00 m3/s。

綜合考慮該工程設(shè)計(jì)水頭、流速以及地質(zhì)條件等因素，結(jié)合多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，溢洪道消能型式采用挑流消能較為合適。為減少?zèng)_深，改善沖刷狀況，挑流消能設(shè)施在平面上采用擴(kuò)散式，挑流鼻坎選用矩形差動(dòng)式鼻坎。

根據(jù)水面線推算，反弧最低點(diǎn)平均最大水深為3.85 m，挑流鼻坎低坎反弧半徑20 m，挑角27°，高坎反弧半徑12.5 m，挑角45°，高低坎高差1.5 m，高低坎寬度比為 2∶1。

挑流消能挑距和沖坑深度按照可按公式計(jì)算：

消能防沖計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 消能防沖成果表m

4 結(jié) 語

在對(duì)該工程溢洪道存在的問題進(jìn)行理論分析及計(jì)算的前提下，堅(jiān)持技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的原則，提出了具有針對(duì)性的加固方案，消除了溢洪道的安全隱患，極好地解決了工程實(shí)際問題。

［1］王世夏編著.水工設(shè)計(jì)的理論和方法.北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

［2］齊金苑，于文成.勘測(cè)設(shè)計(jì).施工技術(shù).（質(zhì)量管理卷）.北京：當(dāng)代中國(guó)音像出版社，2003.

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［4］李啟振.小型水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)［J］.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，10（3）：37-39.