某水庫除險加固新增溢洪道設(shè)計的優(yōu)化方法

任勇奇

摘 要：某灌區(qū)工程建成之后一直帶病運作，水庫一直處于空庫度汛或降低水位運行狀態(tài)，使得工程效益未能充分發(fā)揮，而該工程具有水庫洪量大、庫容小及新增泄洪設(shè)施所需投資多等特點。本文針對該水庫新增溢洪道工程設(shè)計，對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面進行敘述，以期讓類似工程得到參考。

關(guān)鍵詞：除險加固 洪水計算 溢洪道設(shè)計 溢流堰優(yōu)化

計溢洪道，僅設(shè)計了臥管式放水涵洞用于棄水及灌溉。水庫一直處于空庫度汛或降低水位運行狀態(tài)，嚴重影響了水庫建設(shè)工程效益的發(fā)揮，因此，該水庫除險加固新增溢洪道設(shè)計及其優(yōu)化具有極為重要的意義。

1.工程簡介

該水庫始建于1983年，1986年正式開始運行，大壩為均質(zhì)大壩，壩址上游流域面積達50.2km2，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖等功能的綜合性小型水庫。該水庫上游建有三座小型水庫，控制河道36.5km2，由于年久失修，其中兩座小型水庫已淤滿并喪失了原有功能，另外一座小型水庫也已經(jīng)基本淤滿。而對于該水庫來說，其有效庫容98.5×104m3，死庫容15×104m3，該水庫原設(shè)計根據(jù)50年一遇洪水進行的設(shè)計，最高洪水位669.5m，死水位435.0m，正常蓄水位650.5m。

2.水文計算

該水庫在修建之初設(shè)計有效庫容為98.5×104m3，根據(jù)水利行業(yè)標準（SL252-2000），該工程屬于V等小型水利工程。該水庫庫容小，有必要根據(jù)工程失事之后對整個灌區(qū)人民財產(chǎn)安全的影響，來進行工程投資控制。并且由于該地區(qū)沒有雨量站與水文站，因此工程洪水計算只能通過推理公式法與經(jīng)驗公式法進行計算，并綜合分析其合理性，最終確定最佳方案。該水庫上游有三座小型水庫，但是其中兩座小型水庫庫容完全喪失，一座基本喪失，就具體洪水調(diào)蓄方案來看，共有兩種。第一種方案為將上游水庫流域面積全部算入該水庫流域面積，具體洪水計算結(jié)果如表1所示，而經(jīng)過對比分析確定采用推理公式法計算洪水結(jié)果。

第二種方案則是按照上游三水庫原始資料及該水庫實際情況，水庫實際入庫洪水根據(jù)上游最后一水庫下泄半小時及兩庫之間洪水疊加進行計算，實際結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。

3.溢流堰型式優(yōu)化

水庫除險加固新增溢洪道設(shè)計過程中，不同的流量及水流特征將采用不同的堰型。該工程中覆蓋層容易挖除，并且溢流堰地形較低，因此為了能夠得到較大流量系數(shù)，經(jīng)過反復(fù)驗算，決定采用流量系數(shù)較大的曲線型堰型。具體設(shè)計過程中，考慮到實用堰與寬頂堰兩種方案，實用堰首先引渠必須要盡可能挖深，以確保上游堰高，而寬頂堰則正好相反。由于工程現(xiàn)場地形情況限制，采用曲線型實用堰可以正好滿足水頭要求，并且經(jīng)過測算，其壓力也正好符合。在同等的堰上水頭溢流及過水寬度上，曲線型實用堰可更好通過較大流量，所以該工程采用曲線型流水堰以作為工程設(shè)計溢流堰。

而在具體使用過程中，科學(xué)確定堰面定型水頭是重要內(nèi)容。對其中低堰，如果水頭不大時，流量系數(shù)必然與水頭系數(shù)成反比。所以工程經(jīng)過相關(guān)資料調(diào)查分析綜合確定最佳定型水頭為0.75，并且該值符合相關(guān)規(guī)范0.65-0.85要求。最后，科學(xué)確定下游堰高也是溢流堰設(shè)計關(guān)鍵，當上游的堰高下降時，必然會使得工程量增加，而且流量系數(shù)也會相應(yīng)增加。因此下游堰高一定要保持合理高度，以盡可能減少流量系數(shù)。而根據(jù)該工程實際地形，為了減少工程開挖量，決定使用低堰結(jié)構(gòu)，并且上游堰高設(shè)計為2m，下游設(shè)計為3.25m，該設(shè)計符合相關(guān)規(guī)定要求。另外由于堰下游坡與堰面曲線相切，如果坡度小于1∶1時，必然會直接影響整個溢流堰泄洪，因此為了切實保證整個溢流堰泄洪能力，必須要采用合適的流量系數(shù)。而經(jīng)過查證，最終確定該工程流量系數(shù)為0.501。

4.新增溢洪道設(shè)計優(yōu)化

對于該工程新增溢洪道設(shè)計來說，經(jīng)過研討認為主要有兩種方案：其一為溢洪道完全采用敞開式，即防汛道與北干渠以橋梁或渡槽等形式設(shè)計在溢洪道頂部，并且在下游設(shè)計明渠溢洪道，如圖1所示；第二種方案則是溢洪道直接穿越防汛道路與北干渠的部分采用涵洞，并且后接段全部以隧洞為主。而就兩種新增溢洪道技術(shù)方面來說均可行，從經(jīng)濟角度、運行費用、運行管理等方面來看，方案二均優(yōu)于方案一。就整個溢洪洞來說，其主要包括上游收縮段、上下游陡坡段及挑流段等組成，整個溢洪洞長216.21m。溢洪洞采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（城門洞形），收縮段、挑流段均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（露天式矩形槽）。溢洪洞盡可能設(shè)計在堅硬土質(zhì)上，以利于隧洞開挖，整個縱坡要超過臨界坡度，使得水流能夠順利下泄。而且為了盡可能減少工程量，工程變坡兩次，即設(shè)計為龍?zhí)ь^式，最終保證隧洞斷面尺寸無大的變化。最后利用能量方程計算斷面流速及水深，并根據(jù)水深確定隧洞斷面具體尺寸。

4. 1溢洪道堰后收縮段優(yōu)化設(shè)計

對于溢洪道堰后收縮段來說，其底寬為6.6m，長15.2m，比降為0.149，縮窄為3.5m，實際收縮角符合標準。并且通過能量公式計算，收縮段起點水深為1.58m，流速為9.7m/s，終端水深則為2.7m，流速為10.7m/s。

4.2溢洪道上下游陡坡段優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)實際地形條件，確定工程溢洪道上下游陡坡相關(guān)參數(shù)如表3所示。

經(jīng)過計算，上游陡坡段側(cè)墻高由原來的2.9m調(diào)整為2.2m，拱高則為1.5m，而下游陡坡段由于有轉(zhuǎn)彎，因此將原先設(shè)計的轉(zhuǎn)彎半徑的10倍槽寬改為現(xiàn)在的48.7倍槽寬，以解決溢洪洞內(nèi)兩側(cè)水位落差過大問題。并且因為泄流流速較高，因此必須要考慮側(cè)墻摻氣問題，根據(jù)相關(guān)公式，確定摻氣之后的水深最高可增加0.29m，因此根據(jù)增加高度，確定下游陡坡段轉(zhuǎn)彎處側(cè)墻高為2.7m，拱高則為1.5m。

4.3溢洪道挑流段優(yōu)化設(shè)計

由于溢洪洞必須要從防水洞上部穿過，并且其末端與河床地面之間存在一定高差，因此結(jié)合具體地形，決定使用連續(xù)式鼻坎挑流以實現(xiàn)消能，并且整個挑流段由挑流鼻坎段、塊石鉛絲籠護底池、連接段等部分組成。另外對于該水庫溢洪道來說，為4等建筑物，防洪標準為20年，但處于安全考慮，其實際設(shè)計防洪標準為30年。對于各陡槽段、過渡收縮段等，均采用了分段求合法計算其水面線。而對于挑射角來說，不僅要考慮工程量及結(jié)構(gòu)等因素，而且還應(yīng)該充分考慮挑距等因素。最終通過多種方案對比分析，反弧半徑為12m，挑射角為30°符合工程設(shè)計要求。

5.結(jié)語

水庫除險加固新增溢洪道的布置及設(shè)計合理與否，不但決定著整個工程規(guī)模及造價，而且直接關(guān)乎水庫下游人民生命及財產(chǎn)安全。而本文所述水庫除險加固新增溢洪道優(yōu)化設(shè)計之后，有效地解決了溢洪道規(guī)模投資大與效益小之間的矛盾，對于整個工程效益提高具有重要意義。

參考文獻：

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