一線天水電站工程壩頂溢洪道整治方案設(shè)計

熊鷺 沈鑫

摘 要：根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及完工測量圖，技術(shù)人員對一線天水電站工程的壩頂溢洪道溢流能力進(jìn)行復(fù)核。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施工單位未按施工圖紙進(jìn)行施工，導(dǎo)致溢洪道泄流能力不滿足設(shè)計要求。原設(shè)計溢流堰為WES（美國陸軍工程兵團(tuán)水道試驗站）實用堰，實際建設(shè)的為折線形堰。設(shè)計人員綜合考慮加高壩頂方案、加寬溢洪道方案、改造溢流堰面曲線以及放空底孔聯(lián)合泄洪等方案，經(jīng)優(yōu)化比選，最終確定采用放空底孔聯(lián)合泄洪方案。分析成果表明，放空底孔聯(lián)合泄洪可以避免因壩頂及溢洪道改造帶來的經(jīng)濟(jì)損失，同時避免壩體結(jié)構(gòu)的整體受到破壞;底孔聯(lián)合泄洪后，下泄流量滿足所需下泄洪水要求，設(shè)計方案具有較高的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性。

關(guān)鍵詞：樞紐建筑物;溢洪道;底孔;泄流能力

中圖分類號：TV651.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）12-0077-04

Design of Renovation Scheme of Dam Crest Spillway of Hydropower

Station of Yixiantian Hydropower Station

XIONG Lu SHEN Xin

（Guizhou Zhongcheng Tianhe Water Conservancy Engineering Co.， Ltd.，Guiyang Guizhou 550003）

Abstract： Based on the data collected on site and the completed survey drawings， technicians reviewed the overflow capacity of the dam crest spillway of the Yixiantian Hydropower Station Project. As a result， it was found that the construction unit did not carry out the construction according to the construction drawings， resulting in the spillway discharge capacity not meeting the design requirements. The original design overflow weir is a WES （Water-ways Experiment Station， US ArmyCorps） practical weir， but the actual construction is a broken line weir. The designers comprehensively considered the scheme of heightening the dam crest， widening the spillway， reforming the overflow weir surface curve， and venting the bottom vent joint flood discharge plan， and finally decided to adopt the vent bottom vent joint flood discharging plan after optimization and selection. The analysis results show that the joint flood discharge by emptying the bottom hole can avoid the economic loss caused by the reconstruction of the dam crest and the spillway， and at the same time avoid the damage of the dam structure as a whole; after the bottom hole is combined to discharge the flood， the discharge flow meets the required discharge flood requirements， and the design scheme has high technical feasibility and economic rationality.

Keywords： pivot building;spillway;bottom hole;discharge capacity

一線天水電站工程位于貴州省黔西市重新鎮(zhèn)八角村、定新鄉(xiāng)安樂村境內(nèi)，工程于2016年10月完成初步設(shè)計工作，并于2018年6月完工。電站裝機容量為8 000 kW，電站工程等別為Ⅴ等，電站規(guī)模為?。?）型。壩址以上集雨面積為452 km2，大壩最大壩高為67.5 m，總庫容為990萬m3，水庫工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小（1）型。一線天水電站的任務(wù)以發(fā)電為主，供電以一回35 kV輸電線路送至黔西市重新變電站，向黔西市供電。

1 擋水建筑物設(shè)計

大壩為C15混凝土砌毛石重力壩，壩軸線方位角為N60.97°E，最大壩高為67.50 m，壩頂長為152.07 m，壩頂寬為6 m，最大壩底寬為61 m。壩頂高程為1 049.50 m。壩體主要材料采用C15混凝土砌毛石，大壩上游面設(shè)置1.00～2.16 m厚C20（W6、F100）混凝土防滲墻，下游在1 007.50 m高程以下設(shè)置1.0 m厚C20（W6、F100）混凝土防滲墻，大壩底部設(shè)1.0 m厚C20混凝土基礎(chǔ)墊層。壩體內(nèi)設(shè)置排水管幕，到上游壩面距離4 m，排水管采用內(nèi)徑為150 mm的無砂多孔砼管，間距為3 m。

2 原設(shè)計泄水建筑物

2.1 溢洪道布置

壩頂溢洪道溢流前沿總凈寬為18 m，采用兩孔泄流，設(shè)置兩扇9 m×10 m平板閘門控制，單孔凈寬9 m，由于河谷狹窄，為了減小下游河道兩岸的開挖，泄流孔后的溢洪道逐漸縮窄，挑流鼻坎處凈寬為16 m。堰頂高程為1 039.00 m，中墩厚為2.5 m，邊墩厚為2.5 m，溢流堰采用WES曲線堰，曲線方程[y=0.085 4x1.85]。如圖1所示，上游以橢圓曲線與鉛直壩面連接，其橢圓曲線方程為[x24.502+（2.59-y）22.592=1]。下游曲線與直線段銜接，直線段坡比為1.0∶0.8。圖中，長度單位均為毫米（mm）。

直線段后采用半徑為30 m的圓弧與鼻坎銜接。溢流堰面及下游斜坡段采用C30鋼筋混凝土護(hù)面，厚為1.5～12.5 m，兩側(cè)設(shè)置C30鋼筋混凝土導(dǎo)流墻，導(dǎo)流墻厚為2.5 m，墻高為4.0～5.8 m。消能方式為挑流式消能，鼻坎頂高程為1 008.50 m，坎頂寬度為16 m，挑射角度為20°。下游壩腳20 m范圍內(nèi)采用C25鋼筋混凝土護(hù)坦防護(hù)，護(hù)坦厚為2.6 m，為減小沖刷對兩岸坡的影響，在下游兩岸坡設(shè)置C25鋼筋混凝土護(hù)岸，護(hù)岸厚為1.0 m，護(hù)岸向下游延伸20 m。兩扇工作閘門宜對稱啟閉，不可長時間單孔泄水，以減小對下游的沖刷和對結(jié)構(gòu)的不利影響。

2.2 泄流能力計算

溢流堰為WES曲線堰，設(shè)置兩扇9 m×10 m平板閘門進(jìn)行控制，堰面曲線為[y=0.085 41.85]，溢流段凈寬為18 m，分兩孔泄流，堰頂高程為1 039.00 m，正常蓄水位為1 048.00 m。泄流能力按式（1）進(jìn)行計算：

[Q=CmεσmB2gH320]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[Q]為流量，m3/s;[C]為上游邊坡影響系數(shù)，取1;[m]為WES實用堰的流量系數(shù)，可查表獲得;[ε]為閘墩側(cè)向收縮系數(shù);[σm]為淹沒系數(shù)，不淹沒時取1.0;[B]為溢流堰總凈寬，m，取18 m;[g]為重力系數(shù)，取9.8 m/s;[H0]為堰上總水頭，m。

經(jīng)計算，表孔特征水位與下泄流量關(guān)系的計算結(jié)果如表1所示。經(jīng)驗證，表孔泄流能力滿足泄流要求。

3 實際實施后泄水建筑物

3.1 溢洪道布置

壩頂溢洪道溢流前沿總凈寬為18 m，采用兩孔泄流，設(shè)置兩扇9 m×11 m平板閘門進(jìn)行控制，單孔凈寬為9 m，由于河谷狹窄，為了減小下游河道兩岸的開挖，泄流孔后的溢洪道逐漸縮窄，挑流鼻坎處凈寬為16 m。堰頂高程為1 038.00 m（原設(shè)計為1 039 m），中墩厚為3.0 m，邊墩厚為2.0 m，溢流堰采用折線形實用堰（原設(shè)計為WES曲線堰），上游以曲線與鉛直壩面連接，溢流堰面及下游斜坡段采用C30鋼筋混凝土護(hù)面，厚為1.5 m，兩側(cè)C30鋼筋混凝土導(dǎo)流墻，導(dǎo)流墻厚為1.5 m。消能方式為挑流式消能，鼻坎頂高程為1 006.53 m（原設(shè)計為1 088.5 m），坎頂凈寬為16 m。下游壩腳采用C25鋼筋混凝土護(hù)坦防護(hù)。

3.2 實施后溢流曲線

堰頂高程為1 038.00 m，溢流堰頭采用圓弧曲線，堰頭向上游懸挑4.85 m，起挑點高程為1 031.35 m[1-3]。如圖2所示，下游堰面采用圓弧曲線，曲線末端采用1.000∶1.905直線段相連，末端接挑流尾坎，尾坎高程為1 006.53 m。圖中，長度單位均為毫米（mm）。

3.3 溢流表孔泄流能力復(fù)核

堰型為折線形實用堰[1-3]。溢流表孔為2個，每孔凈寬為9 m，溢流前沿總寬為18 m，堰頂高程為1 038.00 m。溢流表孔泄流能力計算如表2所示。開敞式折線形實用堰泄流能力的計算公式為：

[Q=Cmεσsnb2gH320]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[C]為上游堰坡影響系數(shù)，取1.0;[b]為每孔凈寬，9 m;[n]為閘孔數(shù)，取2孔;[H0]為包括行進(jìn)流速水頭的堰前水頭，m;[m]為自由溢流的流量系數(shù);[ε]為閘墩側(cè)收縮系數(shù);[σs]為淹沒系數(shù)，自由堰流時取1.0。

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 253—2018），閘墩側(cè)收縮系數(shù)采用式（3）進(jìn)行計算：

[ε=1-0.2×ζκ+（n-1）ζ0×H0nb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：[ζκ]為邊墩形狀系數(shù)，取0.7;[ζ0]為中墩形狀系數(shù)，取0.3。

根據(jù)表孔泄流能力計算結(jié)果，經(jīng)驗證，當(dāng)處于校核洪水位時，下泄流量不滿足要求。

4 整治方案選擇

由于校核洪水位時溢洪道下泄流量不滿足泄洪要求，人們需要對溢洪道進(jìn)行整治[4-5]。設(shè)計前期，人們初步擬定以下幾個方案。

4.1 加高壩頂方案

保持現(xiàn)狀溢流堰寬不變，通過泄流能力計算可知，校核洪水位時堰上最大水深為11.02 m，即校核洪水位1 038+11.02=1 049.02 m，比原設(shè)計1 048.52 m增加了0.5 m，由于水位抬高，水庫總庫容增加到1 015萬m3（原設(shè)計為990萬m3），相應(yīng)的壩頂高程需要增加。增加壩頂高程后，溢洪道上閘門也需要進(jìn)行改造，若采用本方案，將改變原水庫設(shè)計規(guī)模，方案的實施需要增加較大投資，且實施難度較大。

4.2 加寬溢洪道方案

保持原設(shè)計水位不變，通過泄流能力計算可知，校核洪水時所需溢流堰寬度為19.3 m，即單孔凈寬為9.65 m，比原設(shè)計增加了0.65 m（原設(shè)計單孔凈寬為9 m），由于大壩已全部澆筑完成，堰頂閘門也已安裝完成，該方案從施工工藝及投資上看均不可行。

4.3 改造溢流堰面

將現(xiàn)狀折線形溢流堰面曲線改造為原設(shè)計WES曲線型實用堰，由于所有建筑物及堰頂閘門均已定型，實際改造難度較大。

4.4 放空底孔聯(lián)合泄洪

通過多方案討論和研究，先考慮底孔參與泄洪后是滿足泄洪能力要求，若不滿足，再討論其他方案的可行性。

4.4.1 放空底孔泄流能力復(fù)核。放空建筑物設(shè)于非溢流壩段左岸壩體以內(nèi)，由進(jìn)口段、漸變段、壩內(nèi)埋管段、出口段組成。進(jìn)口布置于大壩壩體內(nèi)，進(jìn)口底板高程為1 018.00 m。放空孔進(jìn)口采用喇叭形（偏橢圓形），喇叭口最大尺寸寬×高（[B]×[H]）=3.06 m×2.94 m，收縮后尺寸[B]×[H]=2.5 m×2.5 m，頂板曲線及側(cè)墻曲線方程均為[x23.02+y21.02=1]，井筒為C25鋼筋混凝土澆筑。檢修平板閘門位于喇叭形進(jìn)口末端，閘門孔口尺寸[B]×[H]=2.5 m×2.5 m。檢修閘門后設(shè)通氣孔，孔口平面尺寸[B]×[H]=0.9 m×2.5 m。采用1臺QPG-630-37 m的高揚程卷揚機啟閉，檢修平臺高程為1 049.50 m，啟閉機室高程為1 055.10 m。

洞身段為DN2 000 mm的放水鋼管，管周圍采用C30鋼筋混凝土澆筑，放空管出口設(shè)DN2 000 mm蝶閥控制水流，蝶閥之后為溢洪壩下游護(hù)坦段，水流直接流到河道內(nèi)。放空系統(tǒng)總長為53.40 m。放空底孔泄洪量采用式（4）計算，計算公式為：

[Q=μ×Ak×2gHw]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：[Q]為流量，m3/s;[μ]為流量系數(shù)，取0.88;[Ak]為出口處面積，m2;[Hw]為作用水頭，m。

放空底孔泄流能力計算結(jié)果如表3所示。

4.4.2 聯(lián)合泄流流量計算。經(jīng)計算，校核洪水位為1? 048.52 m時的聯(lián)合泄洪流量為1? 013.79+73.19=1? 086.98 m3/s，設(shè)計洪水位為1 048.00 m時的聯(lián)合泄洪流量為933.52+72.65=1 006.17 m3/s，這兩種工況下的泄流量均略大于調(diào)洪計算成果相應(yīng)的下泄流量，聯(lián)合泄流能力滿足泄洪要求。

5 結(jié)論

一線天水電站工程壩頂溢洪道溢流堰面的原設(shè)計采用WES曲線型實用堰，設(shè)計下泄流量在各工況下均滿足泄洪要求。但是，施工單位沒按設(shè)計進(jìn)行施工，實際施工時采用的是折線形實用堰。通過泄洪計算，折線形實用堰在校核洪水位時不滿足泄洪要求，通過加高壩頂方案、加寬溢洪道方案、改造溢流堰面以及放空底孔參與泄洪等多方案的研究，最終采用放空底孔參與泄洪方案。

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