某病險水庫工程溢洪道整治設(shè)計方案應(yīng)用研究

賈慶穩(wěn)

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

我國不僅是一個農(nóng)業(yè)大國，同時也是一個水利大國，已建的大中小型水庫數(shù)量眾多，這些水庫在我國國民經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展中扮演了舉足輕重的角色[1-3]。近年來，由于早期修建的水庫逐步步入“老齡化”，特別是早期修建的各類中小型水庫，水利工程結(jié)構(gòu)的安全問題日益凸顯，給水利水電工程結(jié)構(gòu)的安全運行帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，是當(dāng)前的研究熱點和難點[4]。在眾多水利工程結(jié)構(gòu)中，溢洪道作為最重要的泄水建筑物，對大壩下游的防洪保安，以及對大壩壩體的保護(hù)均起著非常重要的作用[5]。

綜合分析現(xiàn)有的相關(guān)文獻(xiàn)及研究成果[6-9]，發(fā)現(xiàn)主要集中在大壩體的整治方案研究，特別是壩體的滲流穩(wěn)定方面[10]，而對溢洪道整治和設(shè)計計算的研究還不多，有待于進(jìn)一步深入開展關(guān)于溢洪道有關(guān)工程結(jié)構(gòu)安全的相關(guān)研究。鑒于此，本文以某水庫溢洪道工程為例，通過現(xiàn)場勘查測量分析，首先研究分析了該溢洪道的現(xiàn)狀特點，并進(jìn)一步指出該溢洪道目前存在的各類問題，進(jìn)而根據(jù)實際問題提出相應(yīng)的整治設(shè)計方案，并最終通過經(jīng)典水力學(xué)公式對整治方案進(jìn)行驗證。

1 工程概況

某水庫工程始建于20世紀(jì)70年代，樞紐工程主要由大壩、溢洪道、放水設(shè)施等水工結(jié)構(gòu)組成。但是由于年久失修的問題，且長時間在各類外界條件作用下，水庫樞紐工程的各類水工結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了不同程度的老化甚至結(jié)構(gòu)變形。由于本次研究對象為溢洪道，因此僅對溢洪道工程進(jìn)行簡述。

該水庫溢洪道位于壩體的左端，為開敞式正槽溢洪道。溢洪道堰頂高程371.85 m，斷面形式為矩形，邊墻為直墻型，采用漿砌條石結(jié)構(gòu)。進(jìn)口段長度4.60 m，過水?dāng)嗝?.00 m×1.60 m(寬×高)，底板高程371.85 m；第二段為平緩段，長度78.60 m，過水?dāng)嗝?.20 m×1.60～1.40 m(寬×高)，末端底板高程371.13 m，比降i=0.01；第三段為陡槽段，長度17.70 m，末端底板高程363.95 m，比降i=0.358；溢洪道尾端修建5.50 m長消力池，過水?dāng)嗝?.00 m×2.00 m(寬×高)。

經(jīng)過現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)溢洪道局部邊墻條石風(fēng)化嚴(yán)重，條石之間砂漿脫落。陡槽段及消力池段局部垮塌嚴(yán)重，影響使用。溢洪道內(nèi)淤積嚴(yán)重，雜草叢生，如果遇到暴雨泄洪工況，將直接阻礙泄洪。溢洪道為漿砌條石砌筑，邊墻襯砌存在風(fēng)化、砂漿脫落等現(xiàn)象，陡槽段及消力池段等已出現(xiàn)坍塌不能滿足結(jié)構(gòu)使用要求。

2 溢洪道初步整治方案分析

2.1 溢洪道泄洪能力計算

根據(jù)已經(jīng)批復(fù)的溢洪道整治設(shè)計方案，建議將溢洪道凈寬b整改為2.80 m，同時通過計算來復(fù)核其泄流能力。由于該溢洪道堰型屬于寬頂堰(2.5≤δ/H<10)，溢洪道泄流能力按泄流公式(1)計算[11]：

(1)

式中：Q為泄流流量，m3/s；ε為孔流垂直收縮系數(shù)，考慮側(cè)收縮影響，ε取為0.98；σs為淹沒系數(shù)，取1.0；m為流量系數(shù)，取0.37；b為溢洪道凈寬，取2.80 m；H0為溢洪水深，m。計算得到相應(yīng)泄流流量3.42 m3/s，大于200 a一遇洪水相應(yīng)的泄流流量3.02 m3/s，故溢洪道整治設(shè)計方案滿足要求。

2.2 溢洪道水面線計算

2.2.1 計算參數(shù)

邊墻高度的驗算以校核水位為控制工況。整治后200 a一遇校核洪水位372.60 m，相應(yīng)下泄流量3.02 m3/s。以此作為設(shè)計依據(jù)，復(fù)核溢洪道泄洪槽段的體形尺寸。

2.2.2 計算公式

泄槽段水面線按式(2)、式(3)進(jìn)行計算[12]：

(2)

(3)

該溢洪道邊墻高度的驗算以校核水位作為控制工況。同時，以下泄流量3.02 m3/s作為設(shè)計依據(jù)，復(fù)核溢洪道泄洪槽段的體形尺寸。水流摻氣水深計算公式如式(4)所示[13-16]：

(4)

式中：h、hq為斷面的初始水深及摻氣水深，m；v為不摻氣的流速，m/s；ξ為修正系數(shù),可取1.0～1.4 s/m,流速大者取大值。

根據(jù)水利工程相關(guān)規(guī)范要求，對溢洪道水面線及邊墻頂高程進(jìn)行設(shè)計計算時，溢洪道采用的邊墻高度應(yīng)等于摻氣水深與安全超高之和。根據(jù)以上式(2)～式(4)，選取了兩個典型斷面進(jìn)行計算，分別為斷面0+008.50 m和0+095.10 m。具體計算結(jié)果見表1所示。分析可知，兩斷面的計算水深分別為0.37 m和0.13 m，而摻氣后水深增至0.38 m和0.14 m，加上安全超高后分別為0.88 m 和0.64 m，均小于現(xiàn)狀的邊墻高度，滿足200 a一遇洪水泄洪要求。

2.3 溢洪道加固設(shè)計

參考上述溢洪道的泄流能力以及水深和邊墻高度的計算結(jié)果，初步擬定了以下溢洪道整治設(shè)計除險加固方案。

(1)進(jìn)口段、泄槽段(溢0-004.6～溢0+082.04)。為解決邊墻砂漿脫落等問題，溢洪道進(jìn)口段及泄槽段邊墻采用C20混凝土澆筑，澆筑前采用砂漿錨桿和鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。值得注意的是，在溢洪道整治前需要對溢洪道現(xiàn)有的淤積層、風(fēng)化層進(jìn)行清除。

(2)陡槽段(溢0+082.04～溢0+095.10)。拆除原漿砌條石，陡槽段底坡1∶2，邊墻高1.00 m，采用C25混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)，頂寬0.3 m，背坡坡比1∶0.3。

(3)消力池段(溢0+095.10～溢0+100.10)。

表1 溢洪道整治后陡槽段邊墻設(shè)計成果

根據(jù)整治設(shè)計方案，需拆除原有的消力池，重新修建的消力池尺寸長5.00 m，深0.60 m，凈寬2.80 m，底板采用40 cm厚C25鋼筋混凝土澆筑；邊墻墻高1.60 m，采用C25鋼筋混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)，頂寬0.30 m，背坡坡比1∶0.3，墻后采用土石回填。

2.4 消能防沖復(fù)核

根據(jù)《水利水電樞紐工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》 SL 252—2017，對于5級溢洪道建筑物，其設(shè)計洪水的重現(xiàn)期為10 a。故本溢洪道工程的消能防沖設(shè)施設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)按10 a一遇洪水計算，消能防沖設(shè)施的設(shè)計洪水重現(xiàn)期頻率P=10%。對超過消能防沖設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的洪水，允許消能防沖建筑物出現(xiàn)部分破壞。根據(jù)調(diào)洪計算成果，P=10%，對應(yīng)的下泄流量為1.21 m3/s。消力池長度和深度計算過程如下。

(1)自由水躍共軛水深計算如式(5)、式(6)所示：

(5)

(6)

式中：h′為躍前水深,m；h″為躍后水深,m；v1為收縮斷面流速，m/s；Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)。

(2)水躍長度經(jīng)驗公式計算，如式(7)所示：

L=6.9(h″-h′)

(7)

式中：h′為躍前水深,m；h″為躍后水深,m。

(3)溢洪道下游渠道水深計算如式(8)所示：

(8)

式中：A為泄水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為水力半徑,m;C為謝才系數(shù);i為明渠底坡度。

經(jīng)復(fù)核計算，重新修建的消力池尺寸為L=5.00 m，h=0.60 m，滿足消能防沖要求。

3 結(jié) 論

針對該溢洪道現(xiàn)狀及使用要求，提出了以下整治方案：(1)溢0-004.6～溢0+082.04為整治段，邊墻采用10 cm混凝土護(hù)面，底板采用20 cm C20混凝土襯砌；(2)陡槽段及消能段(溢0+082.04～溢0+100.10)為拆除重建，邊墻采用重力式擋墻，底板采用30 cm、40 cm厚C25鋼筋混凝土襯砌；(3)消力池需拆除重建，重新修建的消力池尺寸長5.00 m，深0.60 m，凈寬2.80 m，邊墻墻高1.60 m。最終通過水力計算復(fù)核，證明了本水庫的溢洪道整治設(shè)計方案是合理可行的。