泄水建筑物工程設(shè)計中需要注意的事項

謝　勇（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南長沙410000）

泄水建筑物工程設(shè)計中需要注意的事項

謝勇（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南長沙410000）

泄水建筑物是水利水電工程建設(shè)的重要組成部分，為提高工程整體質(zhì)量、降低返工概率，必須重視對于泄水建筑的設(shè)計，充分考慮其設(shè)計方案的合理性與數(shù)據(jù)計算準(zhǔn)確性。本文結(jié)合某水利工程實例，探討了其泄水建筑物的具體設(shè)計，希望對相關(guān)工作者有所幫助。

泄水建筑物；工程設(shè)計；注意事項

1　引言

泄水建筑物的設(shè)計，是一個系統(tǒng)性的工作，需要對工程部位、相關(guān)參數(shù)計算等環(huán)節(jié)，進(jìn)行認(rèn)真的分析與確認(rèn)，從而設(shè)計出更加科學(xué)合理的施工方案，保證泄水建筑物建設(shè)質(zhì)量，實現(xiàn)后期的穩(wěn)定運(yùn)行。

2　泄水建筑物工程概述

2.1概念

所謂泄水建筑物，是為了宣泄水庫、澇區(qū)、河道、渠道中，超過了調(diào)蓄能力的洪水，或者為泄放水庫、渠道內(nèi)所留存的水，而設(shè)置的水工建筑物。泄水建筑物通常是與壩體相互結(jié)合在一起的，其形式包括各種溢流壩、壩身泄水孔；也可以將其設(shè)置于壩體外，例如各式岸邊溢洪道、泄水隧洞等。

2.2常見泄水建筑物類型

泄水建筑物的類型通?？煞譃橐韵聨追N：①由水庫放水溢洪道、泄水閘、泄水隧洞、泄水底孔以及泄水涵管組成；②由澇區(qū)排水排水閘、排水泵站組成；③由河道分泄洪水分洪閘與溢洪堤組成；④由渠道排泄洪水或多余水量泄水閘、退水閘組成；⑤攔河所修建的溢流壩與攔河閘。

2.3泄水建筑物設(shè)計原則

（1）應(yīng)當(dāng)盡可能保證泄水建筑物的超泄能力，及其運(yùn)用的靈活性。

（2）在滿足安全泄洪的同時，考慮到大壩與電站的安全、檢修、放空、排污以及清淤保庫等綜合性使用要求，實現(xiàn)“表”、“深”結(jié)合的布置模式。

（3）盡量使導(dǎo)流建筑物與深孔泄洪洞緊密結(jié)合，降低工程投資。

（4）確定深孔泄洪洞型式、進(jìn)出口高程、孔口尺寸后，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，從而確定“表”、“深”孔各自所承擔(dān)的泄量。

（5）泄水建筑物設(shè)計必須充分考慮地形地質(zhì)條件、水力條件、樞紐總布置及施工等因素，盡可能縮短線路，確保進(jìn)出口邊坡的穩(wěn)定。

（6）如果工程水頭較高，流速較大，泄水建筑物的明流段應(yīng)當(dāng)設(shè)計為直線，進(jìn)出流的方向則需要順應(yīng)河勢。

（7）因下游消能區(qū)河道狹窄，可選擇合適的泄水建筑物實現(xiàn)消能，以減小單位面積的沖刷能量，以防出流對河床兩岸的淘刷或頂沖。

3　泄水建筑物工程設(shè)計要點實例分析

3.1工程概況

辛女溪水庫位于辛女溪白沙鎮(zhèn)紅巖村，壩址距瀘溪縣白沙新城約13km。壩址以上控制流域面積24.3km2，水庫正常蓄水位196.6m，相應(yīng)水庫庫容424萬m3。工程等級為Ⅳ等小型工程，主要建筑物為混凝土擋水壩、溢流壩和灌溉用壩式進(jìn)水口，按4級建筑物設(shè)計，合理使用年限為50年，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，設(shè)計洪峰流量為200m3/s，相應(yīng)下泄流量179m3/ s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，校核洪峰流量為322m3/s，相應(yīng)下泄流量290m3/s；消能防沖設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，洪峰流量為179m3/s，相應(yīng)下泄流量157m3/s。

3.2工程環(huán)境概述

3.2.1流域概況

辛女溪為沅水的一級支級，發(fā)源于我省瀘溪縣境內(nèi)的雞屎咀，流經(jīng)瀘溪縣莊屋嶺、巖頭洞、山腳下、下馬寨，于汀流橋匯入沅水，流域面積34.1km2，河長16.8km，河流坡降15.0‰，整個流域地勢西高東低、東西長而南北窄，海拔高程為110～600m。屬典型的山區(qū)峽谷型河流，河谷基本對稱，河流縱坡大，水流湍急，兩岸沖溝發(fā)育，谷坡陡峻。

3.2.2氣 象

辛女溪流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，暖熱多雨，冬冷夏熱，四季分明。夏季降雨充沛，氣候溫暖濕潤，冬季降雨較少，氣候寒冷干燥，同時還具有年內(nèi)、年際變化較大，類型多樣，光熱總量偏少等氣候特征。

3.2.3洪水成因及特性

辛女溪流域洪水由暴雨形成，洪水變化特點與暴雨相應(yīng)。具有明顯的山區(qū)河流洪水特性：洪水歷時短，峰型單瘦，暴漲暴落。

3.3泄水建筑物工程設(shè)計注意事項

3.3.1設(shè) 計

①陡坡布置。一般情況下，在進(jìn)行陡坡設(shè)計時，為保證其高流速水流平穩(wěn)通過，應(yīng)盡可能采取對稱擴(kuò)散或自線等底寬的布置方式。②進(jìn)口處未設(shè)置連接段。進(jìn)口處連接漸變段的主要作用在于給進(jìn)口泄流創(chuàng)造良好條件。③出口處消能設(shè)計。出口消能設(shè)計多采用將出口槽向下伸延至河道正常水深處，以形成底流式消能。這種消能布置，出口水流波動不平順，兩側(cè)出現(xiàn)大量漩渦，消能效果極為不理想，兩側(cè)邊墻和擋浪墻基礎(chǔ)因受淘刷而架空。

3.3.2工程地質(zhì)

現(xiàn)建的山塘多位于山區(qū)，其地質(zhì)條件不佳，山陡坡峻，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，部分山塘建于滑坡體附近，極易因泄洪或暴雨而引起滑坡和塌方，堵塞槽口，發(fā)生險情。

3.3.3管理問題

（1）修繕。泄水建筑物的沖刷破壞是個漸進(jìn)的過程，在病害初期如及時采取修繕措施，可以避免多數(shù)較大的破壞。

（2）使用規(guī)范。有些村民在使用中，為抬高泄流或塘壩水位，私自于泄水槽內(nèi)加設(shè)堰體，致使水力條件前后迥異，加速了水流對襯護(hù)層的沖刷破壞。

3.4泄水建筑物工程布置及設(shè)計要點

泄水建筑物由WES溢流堰、閘墩組成，溢流壩段布置在河床部分，全長38m，用重力壩與兩岸相連接。堰頂高程196.60m，采用開敞式溢流表孔，共3孔，孔口寬10m。堰面為C25抗沖耐磨混凝土，溢流壩橫縫布置在7#壩段和8#壩段之間，縫間上游面設(shè)兩道止水。邊閘墩厚2m，中閘墩厚2.0m，閘墩長5.5m，最大高程為201.0m。

3.4.1溢流堰斷面設(shè)計

經(jīng)對常規(guī)壩型的比較，高洪水位下“WES”實用堰泄洪能力較強(qiáng)，對樞紐布置有利，工程投資相對較省。故本次設(shè)計，堰面型式選定為“WES”實用堰。壩軸線以下堰面曲線采用方程式如下：

式中：Hs-定型設(shè)計水頭，取Hs=2.5mk；k-系數(shù)，取k= 1.852；n-系數(shù)，取n=1.78。

得出溢流堰堰面方程為：

y=0.26422x1.78

上游堰面采用1：1斜線和單圓弧相連接，圓弧半徑為1.125m，下游堰面曲線為冪曲線，其方程式為Y=0.26422x1.78，堰面曲線的下游接臺階，臺階末端接消力池，本工程采用臺階式底流消能，經(jīng)計算分析確定的尺寸為：每個臺階寬0.75m，高1.0m，末端接反弧與消力池相接，反弧半徑9.72m，消力池長32m。3.4.2溢流壩內(nèi)廊道

溢流壩內(nèi)廊道布置在溢流壩上游面應(yīng)力較小的部位，應(yīng)滿足：帷幕灌漿、工程觀測、交通巡視等要求，基礎(chǔ)廊道底高程為137.73m，斷面形狀為城門洞型，寬2.5m，高3.5m，圓半徑為1.25m，廊道中心線在壩軸線下游2m。

3.4.3堰體排水

溢流壩在運(yùn)行期間，為了減少堰體內(nèi)揚(yáng)壓力，在堰體內(nèi)設(shè)置一道排水幕，排水幕采用排水孔，內(nèi)徑20mm，沿壩軸線方向間距2m，下端接入基礎(chǔ)灌漿廊道。

3.5設(shè)計計算

3.5.1溢流壩泄流能力計算

溢流壩堰型為開敞式曲線型實用堰，按開敞式冪曲線實用堰的公式進(jìn)行泄流能力計算，計算公式如下：

式中：Q-泄流量（m3/s）；B-溢流堰總凈寬（m），取30m；b-單孔孔口凈寬（m），取10m；n-閘孔數(shù)目（m），取3；c-上游堰坡影響系數(shù)，見《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319-2005）；m-流量系數(shù)；ε-側(cè)收縮系數(shù)；σm-淹沒系數(shù)，取1；ξ0-中墩形狀系數(shù)，取0.45；ξk-邊墩形狀系數(shù)，取0.7；H0-計入行近流速水頭的堰上水頭（m）。

3.5.2消能設(shè)計

溢流壩消能是通過工程措施消除下泄水流的余能，穩(wěn)定下游水流流態(tài)，使下游水流盡快恢復(fù)到天然狀態(tài)，以確保壩基和兩岸岸坡不被沖刷破壞，保護(hù)建筑物的安全。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及防洪標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）規(guī)定，消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計。

（1）計算資料

本工程采用WES堰泄洪，消能防沖按20年一遇設(shè)計。消能方式采用臺階式底流消能，臺階步高1m，步長0.75m，接反弧半徑9.72m。

（2）計算公式

完全發(fā)展的跌流流態(tài)判別式為：

由跌流過渡到分離流的判別式為：

式中：dc-臨界水深，m；q-單寬流量，m3/s；h-臺階步高，取1.0m；l-臺階步長，取0.75m。

按分離流進(jìn)行水力學(xué)計算，計算公式如下：

式中：q-單寬流量，m3/s；dc-臨界水深，m；d0-均勻摻氣水流的水深，（m）。

跌坎消能計算結(jié)果見表1所示。

消力池消能計算采用以下公式：

式中：E0-以下游河床為基準(zhǔn)面的上游總能頭；hC-收縮斷面水深（m）；q-過閘單寬流量（m3/s/m）；φ-流速系數(shù)，取0.95。

躍后水深計算公式：

式中：hC″-躍后水深（m）；α-動能修正系數(shù)。

水躍淹沒系數(shù)計算公式：

式中：σ″-水躍淹沒系數(shù)；hs′-下游河床水深 （m）；d-消力池深度（m）；ΔZ-出池落差（m）。

自反弧末端起算的消力池長度：

L=βLj

式中：Lj-自由水躍長度（m）；β-水躍長度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8。

（3）計算結(jié)果

以水躍淹沒系數(shù)大于1.05為控制條件進(jìn)行消力池設(shè)計，經(jīng)計算消力池深2.0m、池底高程142.0m，池長32.0m。經(jīng)計算，溢洪道下游未端反弧段最大流速為9.49m/s，小于20m/s，不屬于高速水流。

（4）消力池結(jié)構(gòu)設(shè)計

消力池池底高程142.0m，池長32.0m，底板厚度1.5m，末端設(shè)尾坎，尾坎頂部高程145.00m。消力池底板下設(shè)間排距3m的錨筋，池后設(shè)20m長、1m厚的漿砌石護(hù)坦與河床面銜接。為減輕水流對右岸邊坡的沖刷，在消力池下游右岸398m范圍內(nèi)和左岸54m范圍內(nèi)的邊坡坡腳采用漿砌石擋墻進(jìn)行防護(hù)。漿砌石擋墻高4m，頂部高程147～140m，頂寬0.8m，底寬1.3m，內(nèi)坡比1：0.5，基礎(chǔ)較河床最低處埋深1m。

4　結(jié)語

泄洪建筑物對于水利水電工程功能的發(fā)揮是至關(guān)重要的，只有對實際的工程地形以及相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，才能夠設(shè)計出最合理的方案。此外，在泄洪建筑的設(shè)計過程中，一定要仔細(xì)核定計算結(jié)果，以減少錯誤，提高建筑物設(shè)計的準(zhǔn)確性。

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TV65

A

2095-2066（2016）31-0079-02

2016-10-23

謝 勇（1986-），男，工程師，本科，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。