雙峰寺水庫溢流壩設(shè)計要點

楊麗君

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

1 工程概況

雙峰寺水庫位于灤河一級支流武烈河干流上，是一座以防洪為主，結(jié)合城市供水，兼顧發(fā)電和生態(tài)環(huán)境供水等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂全長533m，最大壩高50.1m，由非溢流壩段、溢流壩段、底孔壩段和電站壩段組成。溢流壩段位于主河槽，建基巖體為弱風(fēng)化片麻巖。溢流壩段全長101.0m，共布置5個壩段，壩段長17.5～22m，每個壩段布置2孔。溢流壩堰頂總凈寬81m，分9孔，單孔堰頂凈寬9m；堰體上游面直立，下游堰面曲線采用WES冪曲線，直線段坡比1∶0.75。消能型式為挑流消能。溢流壩堰頂設(shè)弧形工作閘門和平面檢修鋼閘門。

2 溢流壩總體布置

雙峰寺水庫是武烈河干流唯一的控制性工程，以防洪為主，依據(jù)泄水建筑物優(yōu)先布置于主河床，在各種水位條件下應(yīng)滿足能宣泄不同流量，各建筑物布置相互協(xié)調(diào)、互不干擾，以及便于運行安全、統(tǒng)一調(diào)度、管理方便。將溢流壩段布置在現(xiàn)河道主河槽位置，以使下泄水流能直接進(jìn)入主河槽，順應(yīng)河勢，減少對河岸的沖刷，減少下游水流歸槽的開挖量。

3 溢流壩堰面曲線確定

溢流壩采用開敞式，堰面由堰頂上游曲線段、堰頂下游曲線段、中間直線段和下部反弧3部分組成。

溢流壩堰面曲線應(yīng)使水流平順地通過堰頂，在堰面不產(chǎn)生過大的負(fù)壓，溢流能力較大，堰頂上游曲線采用三圓弧曲線，堰頂下游堰面采用WES冪曲線，定型設(shè)計水頭按堰頂最高水頭的85%取值，則WES曲線為x1.85=10.3206y。

溢流壩的中間直線段是WES曲線和下游消能段的連接段，上端與堰頂曲線相切，下端和反弧曲線相切。

下游消能段采用連續(xù)式的挑流鼻坎。根據(jù)我國的工程實踐經(jīng)驗，挑角采用25°的挑射角；鼻坎高程以高于下游水位1～2m為宜，設(shè)計取370m，高于消能防沖設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇時對應(yīng)的下游水位，與下游最高水位持平；鼻坎反弧段半徑R以6～10倍鼻坎上的水深為宜，根據(jù)能量方程，求出水深，進(jìn)而求得反弧段半徑。

4 水力設(shè)計

溢流壩水力設(shè)計包括泄流能力計算和消能防沖水力設(shè)計。

4.1 泄流能力計算

通過泄流計算，確定泄流曲線，為水庫調(diào)洪演算提供依據(jù)。溢流壩堰體上游面直立，堰面曲線采用WES冪曲線，泄流能力根據(jù)SL319—2005《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》和《水工設(shè)計手冊》進(jìn)行計算。經(jīng)計算，100年一遇洪水位392.5m時泄量2059m3/s，2000年一遇洪水395.11m時泄量3804m3/s。

4.2 挑流計算

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，攔河壩下游基巖為塊狀構(gòu)造的強、弱風(fēng)化片麻巖，不存在影響壩體穩(wěn)定的斷層結(jié)構(gòu)，基巖抗沖能力較強，溢流壩消能型式采用挑流消能。

挑流消能的安全挑距，應(yīng)不影響壩趾基巖穩(wěn)定，沖坑最低距壩趾的距離應(yīng)大于2.5倍的坑深。根據(jù)地質(zhì)勘探，壩址處覆蓋層下伏基巖為強風(fēng)化黑云斜長片麻巖，巖體局部較破碎，綜合沖刷系數(shù)取1.6。經(jīng)計算，超過堰頂高程的各種標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下，溢流堰泄流下游沖坑后坡均小于1∶2.5，滿足規(guī)范要求，沖坑不會危及壩體的安全。

5 結(jié)構(gòu)計算

5.1 壩體穩(wěn)定計算

溢流壩壩體穩(wěn)定計算為壩體穩(wěn)定及應(yīng)力計算，通過計算確定壩體穩(wěn)定和應(yīng)力值，判斷是否滿足規(guī)范的要求和設(shè)計斷面的合理性。

考慮到溢流壩兩個邊孔壩段在泄洪時表孔另一側(cè)無水，其邊墩將承受較大的側(cè)向水壓力，因此壩體沿壩基面抗滑穩(wěn)定和基底應(yīng)力計算選取中孔和邊孔兩個壩段的最大壩高斷面進(jìn)行計算。

根據(jù)水庫的運用條件，控制性荷載基本組合：①設(shè)計洪水位情況；②正常蓄水位+冰凍情況。特殊組合：①正常蓄水位+排水失效；②校核洪水位情況。

經(jīng)計算，溢流壩段壩基面抗剪斷安全系數(shù)基本荷載組合時最小值3.97大于規(guī)定值3.0，特殊荷載組合時最小值3.44大于規(guī)定值2.5；在各種荷載組合情況下，壩基最大垂直正應(yīng)力最大值1.93MPa小于基巖的允許承載力3.5MPa，且壩基面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

5.2 閘墩結(jié)構(gòu)計算

溢流壩堰頂總凈寬81m，分9孔，單孔凈寬9.0m，溢流表孔采用孔中分縫，堰頂設(shè)弧形工作鋼閘門，設(shè)計工作水頭5.5m，閘門采用固定式卷揚啟閉機啟閉。閘墩厚度與溢流表孔的各工況堰上水頭和孔口寬度有關(guān)，參考國內(nèi)已建工程經(jīng)驗，考慮到本工程孔口寬度較小、閘門擋水高度也不大，因此溢流壩邊墩和中墩均采用2.0m。

閘墩結(jié)構(gòu)計算包括閘墩應(yīng)力和配筋計算，弧形工作閘門支座及配筋計算。

5.2.1 閘墩應(yīng)力計算和配筋

閘墩為雙向受力結(jié)構(gòu)，不同高程截面上的應(yīng)力不同，其中墩底應(yīng)力最大，是閘墩應(yīng)力計算的控制截面。閘墩應(yīng)力計算，視閘墩為固結(jié)在堰體上的懸臂梁，墩底正應(yīng)力按材料力學(xué)偏心受壓公式進(jìn)行計算。

縱向（順?biāo)鞣较颍┱龖?yīng)力計算控制性荷載效應(yīng)組合為弧門上游庫水位為設(shè)計水位時啟門情況 （考慮閘門啟門力）；橫向（垂直水流方向）正應(yīng)力控制性荷載效應(yīng)組合為弧門上游庫水位為設(shè)計水位時一側(cè)孔口泄流、另一側(cè)弧門關(guān)閉情況。

經(jīng)計算，閘墩縱向和橫向正應(yīng)力中壓應(yīng)力最大值1939kPa，小于閘墩混凝土的容許壓應(yīng)力6429kPa；拉應(yīng)力最大值118kPa，小于混凝土的容許拉應(yīng)力554kPa，均不需要進(jìn)行配筋計算，閘墩按構(gòu)造配筋設(shè)計。

5.2.2 閘墩支座計算

溢流壩堰頂弧形工作閘門支座為與閘墩整體現(xiàn)澆的鋼筋混凝土牛腿，承受閘門支臂傳來的水壓力，根據(jù)弧形工作閘門支座受力及結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求，首先擬定弧門支座結(jié)構(gòu)尺寸，然后再對該斷面尺寸進(jìn)行復(fù)核和配筋計算。根據(jù)閘門的運行條件，控制性荷載效應(yīng)組合弧門上游庫水位為設(shè)計洪水位的水位情況。由于弧形閘門是露頂式工作閘門，故不考慮偶然設(shè)計狀況。

弧門支承結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)公式計算和有關(guān)工程經(jīng)驗綜合確定。本工程擬定的支座寬度b=1.5m，高度h=2.0m，外懸長度L=1.0m，支座外緣高度h1=1.0m，支座混凝土等級C25F200。根據(jù)SL191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 進(jìn)行弧門支座的受力鋼筋截面積計算，經(jīng)計算，弧門支座縱向受力鋼筋截面面積AS=1063.14mm2。承受弧門支座推力所需的縱向受力鋼筋的配筋率不宜小于0.2%，按最小配筋率確定的縱向受力鋼筋截面面積6000mm2。

閘墩由于弧門支座集中力作用產(chǎn)生拉應(yīng)力，在支座前約2倍支座寬、1.5～2.5倍支座高的范圍內(nèi)，閘墩內(nèi)的拉應(yīng)力集中，且大于混凝土的容許拉應(yīng)力，配置受力鋼筋。受力鋼筋布置在閘墩表面，沿弧門推力方向按扇形布置。經(jīng)計算，閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時為控制工況，計算配筋為2排15準(zhǔn)25+15準(zhǔn)25（排距20cm）；最外側(cè)扇形鋼筋與弧門推力方向的夾角為28°，相鄰鋼筋間夾角4°。

6 結(jié)語

（1）雙峰寺水庫溢流壩設(shè)計主要包括布置、體型設(shè)計、水力設(shè)計和結(jié)構(gòu)計算等內(nèi)容，確定了溢流壩堰面曲線、泄流曲線，得出挑流消能的安全挑距和沖坑深度，確定出合理的斷面和適合的配筋。

（2）總結(jié)了溢流壩布置和體型設(shè)計原則，水力、結(jié)構(gòu)計算方法和結(jié)論，可供類似溢流壩設(shè)計借鑒。

［1］本書編委會.水工設(shè)計手冊［K］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室編.水力計算手冊［K］.北京：水利電力出版社，1983.

［3］SL319—2005，混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］SL191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］河北省水利水電勘測設(shè)計研究院.雙峰寺水庫初步設(shè)計報告［R］.2012.