崖底水庫溢洪道消能計算及加固設(shè)計

楊亞平

（宜川縣河道和水庫管護(hù)中心，陜西 延安 716200）

1 工程概況

崖底水庫工程位于宜川縣境內(nèi)，猴兒川河上游，是一座以灌溉為主兼有防洪、抗旱等綜合功能的水庫。猴兒川發(fā)源于圪臺鄉(xiāng)柳溝，直接流入黃河，全長77.8 km，流域面積480.0 km2，河道平均比降12.6‰。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、降雨量及地質(zhì)條件，該水庫規(guī)劃為集義鎮(zhèn)上川1萬畝農(nóng)田灌溉的主要水源。該水庫于1975年9月動工修建，1976年11月建成運(yùn)行至今。

崖底溢洪道位于大壩右岸石基上，利用原沖溝改建而成，為寬淺式溢洪道，現(xiàn)狀溢洪道包括進(jìn)口堰流段、陡坡段、尾水段等三部分。溢洪道總長97.8 m，斷面形式為矩形斷面，進(jìn)口段寬度27.0 m，堰流段寬度23.3 m。根據(jù)1982年宜川縣對崖底水庫進(jìn)行三查三定結(jié)論，大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計洪水50年一遇，洪峰流量155 m3/s，校核洪水200年一遇，洪峰流量226 m3/s，設(shè)計溢洪道下泄流量215 m3/s，設(shè)計洪水位1064.80m，校核洪水位1065.83 m，復(fù)核達(dá)到SDJ12-78標(biāo)準(zhǔn)。本次溢洪道除險加固設(shè)計按現(xiàn)行規(guī)范，洪水標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇設(shè)計，300年一遇校核，因此需要對溢洪道泄水及消能情況進(jìn)行重新復(fù)核。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)崖底溢洪道主要存在以下幾點(diǎn)問題：

（1）溢洪道右岸無擋墻，為自然山體，過水?dāng)嗝鎸捳灰?，且已成砌石墻體太薄，部分裂縫破壞；

（2）溢洪道底板原砌筑毛石全部脫落，現(xiàn)狀基巖裸露，且沖蝕嚴(yán)重；

（3）溢洪道無防沖消能設(shè)施，危及下游河道岸坡及壩坡安全。

2 溢洪道下泄流量計算

崖底水庫的校核洪水位和設(shè)計洪水位通過調(diào)洪計算確定。調(diào)洪演算成果：校核洪水位1066.16 m，對應(yīng)溢洪道下泄量303 m3/s，水庫庫容154.88萬m3；設(shè)計洪水位1064.72 m，對應(yīng)泄洪流量137 m3/s，水庫庫容134.62萬m3。

根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果，洪水標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇設(shè)計，300年一遇校核。崖底水庫正常蓄水位1062.7 m，起調(diào)水位為1062.7 m，溢洪道堰頂控制段寬度按現(xiàn)狀現(xiàn)狀寬度23 m計算，進(jìn)口段為矩形平底槽。進(jìn)口堰型采用WES剖面實(shí)用堰，溢洪道泄流計算采用下面公式計算[1]。

式中：Q為溢洪道下泄流量(m3/s）；m為堰流流量系數(shù)，取0.478；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)，取0.962；g為重力加速度，9.8 m/s2；B為溢洪道堰頂控制段寬度(m)，取23 m；H為堰前水深m，水位高程-引渠底板高程；H0為計入行近流速水頭的堰上水頭（m），v0=0，所以H0=H。

WES剖面為美國陸軍工程兵團(tuán)水道試驗(yàn)站研究出的剖面，其設(shè)計水頭的流量系數(shù)m=0.502[2]，收縮系數(shù)ε取0.9，引渠底板高程為1062.65m。則溢洪道下泄流量與水位關(guān)系計算結(jié)果見表1。

表1 溢洪道下泄流量關(guān)系

3 泄槽邊墻高度復(fù)核

各計算斷面水深及摻氣水深

式中：hk為渠道的臨界水深，m；α為流量系數(shù)，取1；Q為溢洪道下泄流量m3/s；B為溢洪道寬度，m。

校核洪水位的下泄流量為303 m3/s，溢洪道凈寬為23 m，對應(yīng)單寬流量為13.2 m2/s，計算后得出矩形渠道的臨界水深hk=2.61 m，則流速為5.04 m/s。泄洪道陡坡坡比約為1∶3，根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》實(shí)用堰起始斷面定在堰下收縮斷面處，起始斷面1-1的水深h1=hkcosθ=2.48。再通過泄槽能量方程，用分段求和法計算各斷面水深[3]，結(jié)果見表2。

式中：Δl為 li到 li+1之間距離，m；hi、hi+1為始末兩斷面法相水深，m；vi，vi+1為始末兩斷面流速，m/s；α 為流速分布不均勻系數(shù)，取1；J為平均水力坡降；n為泄槽糙率，取0.016；v為分段平均流速，m/s；R為分段平均水力半徑；θ為泄槽底板與水平面的夾角，為18.43°。

v=(vi+vi+1)/2；R=(Ri+Ri+1)/2，R=hbi/(2h+bi)，其中 bi為泄槽不同斷面的底寬，則泄槽不同斷面水深及流速計算結(jié)果見表2。

表2 主要斷面的水深和流速計算

再通過式（6）計算斷面滲氣水深。

式中：hb為計算斷面滲氣水深；v為斷面流速，m/s；ξ為不修整系數(shù)，取1；h為泄槽計算斷面的水深。

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 253-2000）[4]規(guī)定，溢洪道邊墻高度為摻氣水深加安全超高，按規(guī)定安全超高取0.5 m～1.5 m，最終求出各段邊墻高度，見表3。

表3 邊墻護(hù)坡高度計算成果表

4 溢洪道消能復(fù)核

底流消能主要是通過水躍產(chǎn)生的表面旋滾和強(qiáng)烈的紊動來消除下泄產(chǎn)生的多余的能量，產(chǎn)生水躍的位置不同對下游河岸沖刷侵蝕狀況也不同，水躍的位置取決于收縮斷面水深hc的共軛水深hc"與下游水深ht的相對大小。當(dāng)ht=hc"時為臨界水躍，當(dāng)ht＜hc"時為遠(yuǎn)離式水躍，當(dāng)ht＞hc時為淹沒式水躍。工程上為了確保下游河岸的安全常采用淹沒式水躍[5]。

4.1 收縮斷面水深hc的確定

由水力計算手冊可知，一般泄流的收縮斷面水深hc的計算方程為：

式中：E0為消力池底以上的總勢能；hc為收縮斷面水深，m；Q為下泄流量，m3/s；b為泄槽出水?dāng)嗝鎸挾?，m；g為重力加速度，9.8 m/s2；ψ 為流速系數(shù)，取 0.95。

校核洪水位1066.16 m，下游水位1042.70 m因此總勢能為23.46 m，Q為下泄流量303 m3/s，流速系數(shù)取0.95，泄槽出水?dāng)嗝鎸挾?5 m。經(jīng)計算hc為1.02 m。

4.2 共軛水深hc的計算

式中：hc為收縮斷面水深的共軛水深，m；Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)；q 為單寬流量，m2/s。

經(jīng)計算hc"=8.59＞ht=1.5故溢洪道下游將發(fā)生遠(yuǎn)離式水躍銜接。當(dāng)建筑物下游形成遠(yuǎn)離式或臨界式水躍銜接時，為了改變這種不利的銜接形式，必須采取一定的工程措施，選擇在下游增加消力池或者泄槽陡坡使用階梯消能。

4.3 消力池計算

出口消能方式采用底流消能，采用矩形斷面，其水力設(shè)計主要包括確定池深及池長[6]。

（1）消力池深度計算公式

式中：d為消力池深度，m；σj為水躍淹沒系數(shù)，采用1.10；hc"為躍后水深，m；hc為收縮水深，m；ht為下游水深，m。

經(jīng)計算消力池深度為7.95 m。

（2）消力池長度計算

消力池長度計算公式：

式中：Lsj為消力池長度，m；Ls為消力池斜坡段投影長度，取25 m；β為水躍長度校正系數(shù)，采用0.8；Lj為水躍長度，m。

經(jīng)計算消力池長度為66.79 m。

4.4 階梯消能率的計算

（1）階梯消能

階梯消能是指在泄槽陡坡段溢流面上布置一系列的階梯，利用陡坡段階梯和水流之間產(chǎn)生的旋滾及主流與階梯的碰撞使其能量耗散達(dá)到消能的目。影響階梯消能的因素很多，主要包括溢洪道下泄單寬流量、起始臺階位置、階梯坡度和臺階高度等。對階梯消能國外研究較早，其中Stephenson對不同階梯數(shù)量的消能作用進(jìn)行了研究，表明，隨著階數(shù)的增加，能量耗散逐漸增加，但隨著階數(shù)的進(jìn)一步增加，能量耗散逐漸減小[7]。Chamani等研究了單寬流量對效能率的影響，結(jié)果表明隨著溢洪道單寬流量逐漸增加，水流動能的增加遠(yuǎn)大于其動能的損失，所以效能率隨著單寬流量的增加而減小[8]。對于崖底水庫而言溢洪道主要由引水渠段、泄槽陡坡段、尾水渠段等三部分組成，總長88.71 m，為矩形斷面，其中泄槽陡坡段長60 m，坡度為1∶3，陡坡起始點(diǎn)為起始臺階位置，因此可通過控制階梯高度以及階梯數(shù)量來控制階梯消能的能力。

（2）效能率的計算

利用能量守恒定律對階梯消能率進(jìn)行計算是目前最普遍的方法，分別計算上下游的能量，上游總能量與下游總能量的差值即為水流流過梯面所損失的能量，見圖1。

圖1 階梯消能計算

按校核洪水位進(jìn)行泄流計算，單寬流量為13.2 m2/s。由4.1可知泄槽出水?dāng)嗝鎸挾葹?5 m，因此單寬流量為20.18 m2/s，下游水深ht=1.5 m，所以流速為13.45 m/s。令hc"=ht=1.5，則泄槽出口斷面流速為4.35 m/s，即流速v2≤4.35 m/s時為臨界水躍或淹沒式水躍，才能滿足溢洪道消能標(biāo)準(zhǔn)。

損失的能量與上游總能量的比值即為階梯式溢流項(xiàng)的消能率，即：

式中：E0、E1、E2為上游總能量和下游原泄槽及階梯泄槽總能量，m；H0、H1、H2為上游斷面水面高程和下游原泄槽及階梯泄槽水面高程，m；V0、V1、V2為上游斷面平均流速和下游原泄槽及階梯泄槽斷面平均流速，m/s；a流速系數(shù)，取1；η為階梯增加消能率，%。

表4 階梯消能率計算結(jié)果

從計算結(jié)果可知，階梯消能率至少達(dá)到33%才滿足溢洪道消能要求。

5 溢洪道加固方案設(shè)計

針對溢洪道現(xiàn)狀存在問題，需對溢洪道進(jìn)行全面加固改造。根據(jù)消能計算復(fù)核等結(jié)果，溢洪道加固方案為：溢洪道中心線按原中心線位置不變，加固后溢洪道由引水渠段、泄槽陡坡段、消力池段和尾水渠段等四部分組成，總長155.5 m，為矩形斷面，加固主要維持原設(shè)計斷面尺寸，進(jìn)口引渠段寬27 m，溢流堰段寬23 m。具體措施如下：

（1）堰頂高程及溢洪道寬度按原設(shè)計不變，對左側(cè)墻裂縫嚴(yán)重及脫落段拆除重新砌筑，恢復(fù)原斷面，并對已成砌石表面全面采用M10水泥砂漿勾縫處理；增加右側(cè)溢洪道擋墻，高度4 m，規(guī)整泄流斷面，使水流下泄穩(wěn)定；對壩肩與溢洪道左側(cè)墻結(jié)合處進(jìn)行灌漿，使之與大壩結(jié)合密實(shí)。

（2）溢洪道底板坐落于原砂巖上，本次加固清除現(xiàn)狀沖刷松動砂巖，并在其上鋪設(shè)C20鋼筋砼護(hù)底，厚0.2 m，對泄水底坡規(guī)整。

（3）增加溢洪道出口效能防沖設(shè)施，采用底流加消力池效能，消力池長66.79 m，深7.95 m。

（4）采用溢洪道階梯消能，按照設(shè)計要求階梯效能率至少要達(dá)到33.36%才能符合消能要求。

6 結(jié)語

崖底水庫是以農(nóng)業(yè)灌溉供水為主的具有社會公益性質(zhì)的水利工程，是跟當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娎嫦⑾⑾嚓P(guān)的民生工程。本文以崖底水庫為背景，對水庫溢洪道進(jìn)行消能復(fù)核計算，在此基礎(chǔ)上對溢洪道進(jìn)行除險加固，從而滿足泄流能力要求，恢復(fù)水庫正常運(yùn)行的功能，使其能夠正常防汛泄洪，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。