渠首樞紐溢洪道放水工程改建設(shè)計(jì)方案分析

柏 劍

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西 咸陽 712000）

1 工程概況

寶雞峽林家村渠首樞紐工程位于寶雞市以西11 km的渭河谷出口處，是全灌區(qū)抗旱防汛的樞紐和“龍頭”所在，地位舉足輕重。其攔截上游渭河來水形成林家村高壩水庫，現(xiàn)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，設(shè)計(jì)洪水位625.9 m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇，校核洪水位635.2 m。沖砂閘位于樞紐大壩輸水隧洞出口沉砂槽末端，包括沖砂閘和進(jìn)水閘兩部分，沖砂閘出口直接進(jìn)入渭河，進(jìn)水閘下接寶雞峽引渭灌區(qū)塬上總干渠。溢洪道位于大壩右岸，由進(jìn)口段、平流段組成，進(jìn)口高程615 m，總長161 m。梯形斷面，底寬4.0 m，高2.0 m，邊坡坡比1∶1。進(jìn)口段、平流段全部采用漿砌石襯砌，沿程比降8/1000。消能設(shè)施因?yàn)樗畾Р粡?fù)存在。建筑物所處地貌為基巖谷坡與黃土狀土谷底過渡帶，地形較完整，巖性單一，層位穩(wěn)定。從溢洪道出口水毀斷面顯露，進(jìn)口和平流段，地基及邊坡巖性均為殘、坡積黃土狀土(Q3el+dl)，出口（陡坡）段巖性亦為殘、坡積黃土狀土(Q3el+dl)，夾結(jié)核和巖石碎塊。經(jīng)過多年運(yùn)行出現(xiàn)溢洪道水毀破損等諸多安全隱患，急需進(jìn)行改造加固。

2 溢洪道加固工程設(shè)計(jì)

林家村渠首溢洪道位于大壩右岸，無堰控制，為寬淺式梯形土槽，2008年在原形狀基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單砌護(hù)，溢洪道底部及邊墻均為漿砌石砌護(hù)。溢洪道底寬4.5 m～4.0 m，邊墻高2.0 m，已砌護(hù)120 m，無消能設(shè)施，底板高程為613 m?，F(xiàn)有溢洪道在泄洪中水毀破壞嚴(yán)重，底板砌體出現(xiàn)剝離、脫落和松動(dòng)，出口被沖垮，大塊整體漿砌體被沖出5 m多遠(yuǎn)。所以，溢洪道現(xiàn)狀已不能滿足防汛正常泄洪要求，需要進(jìn)行改造修繕。

2.1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)林家村高壩水庫溢洪道現(xiàn)狀和地理?xiàng)l件，設(shè)計(jì)采用無閘控制的開敞式寬頂堰結(jié)構(gòu)型式，堰頂寬仍為4.5 m，高程為615 m，同時(shí)增建泄水消能設(shè)施，以提升工程防抗洪水能力和使用壽命。改造加固后溢洪道工程由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池及尾水渠組成，長161.0 m。

2.2 溢洪道控制段水力計(jì)算

工程設(shè)計(jì)根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2000），對(duì)其寬頂堰實(shí)際泄流能力進(jìn)行計(jì)算，公式為：

式中：B為每孔凈寬；H0為包括行近流速水頭的堰前水頭，即為不計(jì)入行進(jìn)流速的堰上水頭；Vo為平常時(shí)段的水閘庫容；m為二元水流寬頂堰流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)。

對(duì)梁塬水閘，ε＝1，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2000），其流量系數(shù)m取0.36，由此可求得溢洪道不同水位下的泄流量。

經(jīng)計(jì)算，林家村渠首樞紐溢洪道在設(shè)計(jì)洪水位625.9 m時(shí)，泄流量為3590 m3/s，校核洪水位635.2 m時(shí)，泄流量為6620 m3/s，均符合工程設(shè)計(jì)值，故能滿足實(shí)際泄洪要求。

2.3 溢洪道進(jìn)口段設(shè)計(jì)

為提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低洪水對(duì)底部的沖刷，溢洪道進(jìn)口段采用喇叭口型式，并把原底寬由13.0 m收縮至4.5 m，比降為1∶100。底板采用C25砼襯砌，首端設(shè)齒墻，入土深度為0.5 m，邊墻（0+000.0～0+005.00）段為原M7.5漿砌石斜坡式擋墻，根據(jù)運(yùn)行狀況和現(xiàn)場(chǎng)勘查，需進(jìn)行加高0.5 m。（0+005.00～0+010.00）段為拆除新建扭面段，頂寬0.5 m。

2.4 溢洪道控制段設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際條件和工程設(shè)計(jì)規(guī)范，此溢洪道控制段堰型為無閘控制的開敞式寬頂堰，堰頂高程615 m，堰頂凈寬仍為4.5 m，高2 m，堰頂順?biāo)鞣较蜷L度為10 m。堰頂采用C25砼進(jìn)行襯砌，邊墻為漿砌石重力式擋墻，背坡比3∶1，底板前趾寬0.3 m，墻背回填土夯實(shí)。

2.5 溢洪道明渠段設(shè)計(jì)

此溢洪道明渠段比降1∶70，底寬4.5 m～4.0 m，長80.0 m，高2 m，設(shè)計(jì)拆除原底板及邊墻，底板采用C25砼澆筑，厚0.3 m。邊墻為漿砌石重力式擋墻，墻背回填土夯實(shí)。

2.6 溢洪道泄槽段設(shè)計(jì)

泄槽段斷面設(shè)計(jì)為矩形，底寬4.0 m，縱坡1∶4，總落差9 m。泄槽底板始端厚30 cm，末端厚50 cm，為C25鋼筋砼。設(shè)計(jì)順?biāo)鞣较蛎扛?0 m設(shè)一條橫縫，與邊墻底板交接處設(shè)兩條縱縫。橫縫采用平縫，用橡膠止水，縫內(nèi)嵌瀝青砂板條?？v縫采用平縫，縫內(nèi)嵌瀝青杉板，對(duì)兩側(cè)邊坡采用M7.5漿砌石進(jìn)行砌護(hù)。

泄槽段水面線計(jì)算時(shí)，將泄槽分為4段5個(gè)斷面用能量方程分段求和法來計(jì)算水面線。起始計(jì)算斷面定在泄槽首端，其水深h1為臨界水深，用下式計(jì)算：

式中：hk為臨界水深，m；q為單寬流量，q=Q/b，m3/（s·m）；α為流速分布不均勻系數(shù)，采用1.05。

泄槽段水面曲線分段求和法計(jì)算公式如下：

式中：Δl為分段長度，m；ΔEs為分段始、末斷面單位能量之差，m；ΔEs1、ΔEs2為分段始、末斷面單位能量，m；h1、h2為分段始、末斷面水深，m；v1、v2為分段始、末斷面平均流速，m/s；α1、α2為流速分布不均勻系數(shù)，取1.05；θ為泄槽底坡角度，θ=14.04°；i為泄槽底坡，此處i=sinθ；為分段內(nèi)平均水力坡度；v為分段平均流速，v=（v1+v2）/2，m/s；為分段平均水力半徑，R=（R1+R2）/2，m；n為槽身糙率系數(shù)，n=0.017。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，校核設(shè)計(jì)時(shí)泄槽末端流速大于10 m/s,故需考慮水流摻氣對(duì)水深的影響。

泄槽段波動(dòng)及摻氣水深可按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253—2000）中的下式估算：

式中：hb為計(jì)入波動(dòng)及摻氣水深，m；h為未計(jì)入波動(dòng)及摻氣水深，m；v為未計(jì)入波動(dòng)及摻氣的計(jì)算斷面上的平均流速，m/s；ξ為修正系數(shù)，取1.4。

溢洪道邊墻安全超高取0.5 m，最終求出各段邊墻高度（見表1）。邊墻采用M7.5漿砌石重力式擋土墻，背坡比3∶1。

表1 泄槽段邊墻高度計(jì)算成果表

2.7 溢洪道消力池設(shè)計(jì)

根據(jù)林家村沖砂閘溢洪道地形和工程地質(zhì)條件，消能防沖設(shè)施采用消力池底流式消能，消力池同泄槽末端等寬為4.0 m的矩形消力池。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外絕大部分水利工程實(shí)際最大泄量僅為設(shè)計(jì)泄量的一半，約相當(dāng)于2年~20年一遇的洪水流量；因?yàn)楹庇龊樗霈F(xiàn)的概率很小，持續(xù)時(shí)間很短，而消力池建設(shè)經(jīng)濟(jì)成本占比較高，故《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，消能防沖建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，只要不危及大壩和主要建筑物的安全，可以適當(dāng)降低。據(jù)此，本著經(jīng)濟(jì)合理、實(shí)用的原則，消力池設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)確定為20年一遇。

消力池躍前水深為泄槽末端水深，躍后水深按下式計(jì)算：

式中：hc″為躍后水深，m；Frc為佛汝德數(shù)。

水躍長度L、消力池池深s、池長Lk分別按下式計(jì)算，其中水躍長度公式適用范圍為Frc=1.7~9.0。

式中：L為水躍長度，m；Lk為消力池長度，m；s為消力池池深，m；σ為保證池內(nèi)水躍稍有淹沒的安全系數(shù)，一般采用1.05~1.10；t為下游渠道水深，m；Δz為消力池出口水面跌差，m；φ′為水流由消力池進(jìn)入下游渠道時(shí)的流速系數(shù)，一般情況下采用0.95；t′為池末水深，m。

按以上公式計(jì)算的消力池參數(shù)見表2。據(jù)此確定消力池池深為0.5 m，池長為11 m。

表2 消力池計(jì)算成果表 單位：m

根據(jù)消力池計(jì)算結(jié)果躍后水深hc″為2.29 m，池深0.5 m,以保證泄流安全穩(wěn)定為原則，合理加高0.11 m，確定消力池邊墻高2.9 m，采用M7.5漿砌石重力式擋土墻，墻背回填土。并對(duì)兩側(cè)邊坡采用M7.5漿砌石進(jìn)行砌護(hù)。

3 放水設(shè)施改建

放水設(shè)施位于大壩中間偏左岸部位，取水臥管位于迎水坡壩面。因?yàn)槿∷P管地基為大壩填筑土，產(chǎn)生不均勻沉降，引起臥管損壞，砼蓋板、漿砌石邊墻多處破損裂縫，且取水臥管年久失修，上部圓型進(jìn)水孔取水操作不安全，木塞止水效果不佳；涵洞局部出現(xiàn)裂縫、漏水；引水渠部分段漿砌石邊墻多處破損。所以需要改建。

3.1 放水工程設(shè)計(jì)

1）臥管

原臥管為立面進(jìn)水，孔徑0.3 m，臺(tái)階高 0.3 m，坡比i=1∶2.5，底寬0.6 m，高0.694 m，存在取水操作不安全和對(duì)管徑?jīng)_刷較大的不足。本次設(shè)計(jì)改為側(cè)面進(jìn)水，閘孔0.4 m×0.4 m，臺(tái)階高0.6 m，其余尺寸均采用原設(shè)計(jì)。

2）放水涵洞

斷面采用馬蹄形，半徑R=0.5 m，高度h=1.30 m，坡比i=1∶100。采用明渠均勻流公式：

根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)量，當(dāng)Q=0.265 m3/s，水深h=0.176 m。小于涵洞高度，涵洞滿足過流0.25 m3/s要求。

3）消力池?cái)嗝娉叽鐝?fù)核

躍前水深為泄槽末端水深，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量h’=0.079 m；躍后水深姨=0.68 m；池深 d=δh"-ht=0.50 m；池長 L=（3~5）h"=2.71 m，其中 δ為淹沒系數(shù)。

原消力池池深0.5 m，池長3.5 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 放水工程加固

通過水力計(jì)算，放水涵洞尺寸、結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)存在問題，本次臥管加固工程內(nèi)容為：拆除重建淤積高程以上臥管段；維修涵洞，采用2 cm厚M10水泥防水砂漿抹面；改建洞臉；維修引水渠損壞段。

臥管采用側(cè)向進(jìn)水，長22.05 m，坡比1∶2.5，邊墻采用0.5 m厚M7.5漿砌石，內(nèi)壁采用0.02 m厚M10水泥砂漿抹面，蓋板采用0.2 m厚C25預(yù)制鋼筋砼，進(jìn)水閘門為0.4 m×0.4 m鑄鐵閘門，共8扇，啟閉機(jī)采用3 t手動(dòng)螺桿啟閉機(jī)，共8臺(tái)，啟閉平臺(tái)蓋板采用0.1 m厚C25現(xiàn)澆鋼砼，臥管每0.2 m高設(shè)一C15砼臺(tái)階。臥管每隔5 m設(shè)一道齒墻，在兩道齒墻間設(shè)沉陷縫，縫寬2 cm，采用651橡膠止水帶，縫內(nèi)填瀝青水泥砂漿。

涵洞長52.53 m，比降1/100，涵洞為矩形半圓拱形式，寬1.0 m、高1.3 m。對(duì)裂縫處內(nèi)壁采用0.02 m厚M10水泥砂漿抹面，并在出壩體處加設(shè)M7.5漿砌石洞臉，洞臉厚1.0 m。

引水渠長224 m，比降1/100，斷面采用矩形斷面，邊墻和底板均采用0.3 mM7.5漿砌石。

4 結(jié)語

林家村渠首樞紐溢洪道工程改造及放水工程加固已實(shí)施完工。投入運(yùn)行以來經(jīng)受住了多次特大洪水泄洪實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，沒有發(fā)生明顯的問題。說明工程設(shè)計(jì)思路和原則科學(xué)合理、施工質(zhì)量優(yōu)良，達(dá)到了預(yù)期改造加固效果。