張公龍水庫新增溢洪道安全復(fù)核

周靜雯

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510000)

0 引 言

泄水建筑物是水庫建設(shè)工程中樞紐設(shè)施，而溢洪道又是普遍應(yīng)用的泄水建筑物。溢洪道的作用是對庫容難以容納的洪水進(jìn)行宣泄，避免洪水的漫溢，確保水庫大壩的安全運(yùn)行。另外，溢洪道的布置和設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理除了涉及到水庫的安全外，還會影響到工程的整體造價(jià)。所以，工程設(shè)計(jì)人員必須以實(shí)事求是和科學(xué)的態(tài)度去布置設(shè)計(jì)水庫的溢洪道，以保證水庫的安全運(yùn)行，提升整體的經(jīng)濟(jì)效益。張公龍水庫是一座發(fā)電為主的中型水庫，工程為Ⅲ等，主要建筑物為3級，設(shè)計(jì)為0.40m的擋水安全加高，0.30m的泄洪安全加高。

1 工程概況

張公龍水庫的主體包括三個部分：大壩、電站廠房、發(fā)電引水隧洞。水庫大壩設(shè)計(jì)為壩頂高程173.70m的漿砌石重力壩，最高壩體處50.7m，壩頂長132.60m。最初設(shè)計(jì)左岸的非溢流壩段長度為44.80m，通過后期的除險(xiǎn)加固，為增加泄流能力，則需新增一孔溢洪道，新增設(shè)的溢洪道布設(shè)在原來左岸非溢流壩段(0+029.80-0+045.80)上，設(shè)計(jì)為15m的總寬度，設(shè)定一孔，邊墩厚度和孔凈寬分別為2.00m和12m，設(shè)計(jì)堰頂高程162.00m，擋水閘門采用平板式，沒有布設(shè)檢修閘門。

2 張公龍水庫溢洪道的總體布置原則

該工程的溢流堰利用WES形實(shí)用堰，y=0.075814x1.85。將半徑為1m的圓弧段設(shè)置于進(jìn)口前緣，與堰頂平段后接。閘頂設(shè)置交通橋和供檢修和工作的平臺。兩側(cè)邊墻1.40m厚度，出口平段高程143.00m，溢洪道底寬47.414m，出口寬2.03m。大壩現(xiàn)地為V字形峽谷，河兩岸呈現(xiàn)裸露的巖石，水流急，河床大，較直的壩址河道。該工程的新增溢洪道靠近岸坡，為了減緩洪水沖刷左岸岸坡的程度，設(shè)計(jì)中力求把水流規(guī)范到河床中間，確保壩基以及左岸坡的穩(wěn)固性，該溢洪道利用窄縫消能的模式。其布置型式見圖1。

圖1 新增溢洪道平面圖

左邊墻從溢洪道堰面切點(diǎn)(A點(diǎn))以6.866°收縮角往下游收縮至反弧段末端C點(diǎn)(C 點(diǎn)與溢洪道中心線距離為4m)，在反弧段末端C點(diǎn)以半徑R=22m、轉(zhuǎn)角θ=22.028°往下游作窄縫挑坎段圓弧邊墻(CD段，墻頂高程152.00m)，圓弧邊墻末端D點(diǎn)與 C-C斷面垂線距離為 8m;以 CD 圓弧段末端作切線往下游延伸6.05m 作直線邊墻，其中4m長邊墻頂高程為 152.00m，末端長2.05m 邊墻頂高程為 150.0m。

右邊墻從溢洪道堰面切點(diǎn)(A)以5.16°收縮角往下游收縮至下游出口斷面F點(diǎn)。

反弧段末端C點(diǎn)與溢洪道中心線距離為4.50m。

窄縫挑坎段邊墻長度為12.35m(CF段)，其中扭曲段邊墻長度為7m，其末端距離出口斷面長度為3m，扭曲段邊墻墻頂高程為150.0m，其末端斷面墻頂比底部擴(kuò)寬0.80m，末端斷面邊墻斜坡面坡度為1∶0.13。

出口末端段長度為 3m，邊墻為斜坡面邊墻(梯形斷面)，坡面坡度為1∶7.50，墻頂高程為148.00m，并在距離出口斷面1m處以1∶4坡削角與出口斷面F點(diǎn)連接。

窄縫挑坎出口底寬為2.13m，新增溢洪道底部混凝土厚度為 0.50m-2m，邊墻厚度為1.50m。

在窄縫消能工末端底部設(shè)5m長，0.05m厚的混凝土鋪蓋。

3 張公龍水庫新增溢洪道的安全復(fù)核分析

3.1 泄水建筑物頂高程復(fù)核

在該泄水建筑物的頂高程設(shè)計(jì)中，釋放檢查洪水時，不得低于檢查洪水位和安全高程值；

蓄水時不得低于設(shè)計(jì)洪水位或正常水位加上波浪計(jì)算的高度和安全標(biāo)高；

溢洪道與壩肩緊挨時，要保持大壩壩頂高程與緊控制段頂部高程的協(xié)調(diào)性；

必須按照SL744的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行波浪要素計(jì)算。波浪的計(jì)算高度應(yīng)為累積頻率的1%加上波浪中心線與設(shè)計(jì)水位的差值。

張公龍水庫是3級建筑物、Ⅲ等的中型水庫，設(shè)計(jì)為0.40m的擋水安全加高，0.03m的泄洪安全加高；閘墩頂部的現(xiàn)狀控制段高程為173.30m。泄洪時：171.44(校核洪水位)+0.30=171.74m<173.30m；擋水時：168.86(設(shè)計(jì)洪水位)+1.46(波高)+0.40=171.72m<173.30m，所以，該控制段閘墩頂部高程完全能夠符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 泄流安全復(fù)核

3.2.1 泄流能力

張公龍水庫大壩溢洪道布置設(shè)計(jì)為WES型實(shí)用堰。按照《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253-2018)，溢洪道泄流能力的計(jì)算公式按(A.2.1-1)進(jìn)行，公式適用于H0/b≤1，當(dāng)H0/b>1時，H0/b仍取值1。

(1)

式中：設(shè)定流量為Q，m3/s；設(shè)定溢流堰總凈寬為B，m，多孔狀態(tài)下為各孔凈寬之和；設(shè)定單孔寬為b，m；設(shè)定n為閘孔數(shù)目；設(shè)定計(jì)入行近流速水頭的堰上水頭為H0，m；設(shè)定g為重力加速度，m/s2,g=9.81m/s2；設(shè)定m為二維水流WES實(shí)用堰流量系數(shù)，采用2011年水工模型試驗(yàn)平均值；設(shè)定c為上游堰坡影響修正系數(shù)，如果上游呈現(xiàn)鉛直的堰面，c=1；設(shè)定閘墩側(cè)收縮系數(shù)為ε；設(shè)定δ0為中墩形狀系數(shù)，該系數(shù)與淹沒度hs/H0和閘墩頭伸出上游堰面距離Lu有關(guān)；設(shè)定δk為邊墩形狀系數(shù)(如果直角矩形，k=1.0，如果折線或圓角形，k=0.70，流線型線形，k=0.40)；設(shè)定σs為淹沒系數(shù)，按照《水力計(jì)算手冊》(第二版)中圖3-3-5，取1。

3.2.2 溢流壩邊墻高度復(fù)核

1)泄槽水面線計(jì)算：

按照資料的數(shù)據(jù)，選擇《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253-2018)附錄A的相關(guān)計(jì)算公式，對洪水位實(shí)施計(jì)算設(shè)計(jì)以及校核洪水位工況下的溢洪道水面線，泄槽流動為非均勻流的明渠恒定，泄槽水面線用分段求合法應(yīng)根據(jù)能量方程計(jì)算。

根據(jù)下面公式計(jì)算泄槽水面線。

(2)

可根據(jù)以下公式計(jì)算泄槽段水流摻氣水深：

(3)

式中：設(shè)定h為泄槽計(jì)算斷面水深；hb為摻氣后的水深，單位m；設(shè)定u為不摻氣情況下泄槽計(jì)算斷面的流速，m/s；ξ為修正系數(shù)，可取1.00-1.40s/m，流速越大取值越大流速大者取大值[1]。

2)側(cè)墻高程確定：

在張公龍水庫的2011年除險(xiǎn)加固的工程中，因?yàn)楸竟こ痰囊绾榈酪驗(yàn)檎p挑坎消能模式的特殊性，進(jìn)行了特殊意義的水工模型試驗(yàn)，該試驗(yàn)資料真實(shí)，成果客觀，因此本工程溢洪道側(cè)墻高程采用該設(shè)計(jì)成果，詳見圖2。

圖2 校核洪水工況下壩面斷面水深分布圖

通過水工試驗(yàn)的模型不難看出，在校核流量的情況下，溢洪道的邊墻高度完全符合設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 溢洪道消能防沖復(fù)核

在張公龍水庫的2011年的整體工程復(fù)核中，因?yàn)楸竟こ痰男略鲆绾榈酪驗(yàn)檎p挑坎消能模式的特殊性進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，該試驗(yàn)資料真實(shí)，成果客觀，所以本次的溢洪道消能防沖復(fù)核采用水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ统晒?。該模型試?yàn)河道下游的動床區(qū)域?yàn)椋合掠?00m長的河道到溢流壩下游出口斷面的范圍。從現(xiàn)場查勘成果可知，溢流壩下游附近區(qū)域河床呈現(xiàn)裸露的基巖，河床面露出的基巖為121-123mm的高程，地質(zhì)條件較好，故溢洪道窄縫挑坎消能不影響壩腳安全。

3.3 溢洪道啟閉機(jī)室梁結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算

3.3.1 計(jì)算簡圖

溢洪道啟閉機(jī)室長和跨長都是16m，設(shè)有4根主梁的一跨為簡支梁結(jié)構(gòu)；邊梁高和寬分別是1.30m和0.50m，為規(guī)格C25的混凝土結(jié)構(gòu)；中部主梁梁高和寬分別為1.30m和0.50m?，F(xiàn)狀配筋詳見《張公龍水庫大壩應(yīng)急除險(xiǎn)工程竣工圖》[DZ132D.5-1-17新增溢洪道啟閉機(jī)室鋼筋圖(1/3)]及[DZ132D.5-1-18新增溢洪道啟閉機(jī)室鋼筋圖(2/3)]，啟閉機(jī)室184.50m高程結(jié)構(gòu)布置圖見圖3。

圖3 啟閉機(jī)室184.5m高程主梁結(jié)構(gòu)布置圖

3.3.2 計(jì)算工況及荷載

選擇開啟平板閘門時最不利工作狀況，復(fù)核計(jì)算啟閉機(jī)室184.50m高程平臺的主梁的配筋。主要承受荷載狀況如下：

邊部主梁：的人群荷載為3.00kN/m2，面板荷載4.26kN/m，地震荷載不在其內(nèi)。中部主梁：人群荷載為3.00kN/m2，啟閉機(jī)基礎(chǔ)集中荷載P1為100kN，面板荷載6.86kN/m，啟閉機(jī)基礎(chǔ)集中荷載P2為100kN，啟閉機(jī)基礎(chǔ)集中荷載P3為100kN，啟閉機(jī)基礎(chǔ)集中荷載P4為100kN，地震荷載不在其內(nèi)[2]。

3.3.3 計(jì)算方法

對溢洪道啟閉機(jī)室的邊部主梁、中部主梁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，可以根據(jù)簡支梁實(shí)施計(jì)算，計(jì)算軟件采用《理正結(jié)構(gòu)工具箱7.0PB6》。

3.4 新增溢洪道交通橋結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

3.4.1 計(jì)算簡圖

本工程溢洪道交通橋?yàn)楹喼Я航Y(jié)構(gòu)的12m的一跨；均采用C30混凝土結(jié)構(gòu)，L1梁梁高和梁寬分別是1.20m和0.40m；L2梁梁高和梁寬分別為1.00m和0.30m。設(shè)計(jì)立交橋?yàn)?71.70m的高程，交通橋及高程173.30m平臺結(jié)構(gòu)布置圖見圖4。現(xiàn)狀配筋詳見《張公龍水庫大壩應(yīng)急除險(xiǎn)工程竣工圖》[DZ132D.5-1-14新增溢洪道交通橋鋼筋圖]及[DZ132D.5-1-15新增溢洪道檢修平臺鋼筋圖]。

圖4 交通橋及檢修平臺結(jié)構(gòu)布置圖

3.4.2 計(jì)算荷載

L1梁計(jì)算：人群荷載為3.00kN/m2，面板荷載6.26kN/m，地震荷載不在其中。L2梁計(jì)算：人群荷載為3.00kN/m2，面板荷載6.58kN/m，地震荷載不在其中。

3.4.3 計(jì)算方式

根據(jù)簡支梁的方式對L1梁、L2梁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算軟件采用《理正結(jié)構(gòu)工具箱7.0PB6》。

3.5 新增溢洪道壩段穩(wěn)定及應(yīng)力復(fù)核

通過計(jì)算得知，現(xiàn)狀新增溢洪道壩段各計(jì)算截面在正常蓄水位及設(shè)計(jì)洪水位工況的抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)均>3.0，各計(jì)算截面在校核洪水位工況的抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)均>2.50，各截面在各計(jì)算工況下的最大垂直應(yīng)力均小于地基承載力，則新增溢洪道壩段在各工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求[3]。

經(jīng)與2011年《廣東省陽春市張公龍水庫大壩除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》新增溢流壩段穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，本次計(jì)算與原設(shè)計(jì)主要差別是計(jì)算斷面結(jié)構(gòu)調(diào)整，原加固設(shè)計(jì)的計(jì)算斷面壩后加長段內(nèi)部為漿砌石，而根據(jù)加固設(shè)計(jì)的竣工圖，壩后加長段內(nèi)部為混凝土；本次鑒定地質(zhì)勘察鉆孔ZKM2在高程131.63m-135.13m段(孔深37.30m-40.80m段)，揭露到壩基混凝土墊層，則新增溢洪道壩段基底混凝土墊層厚度應(yīng)為3.50m，原加固設(shè)計(jì)該段的鉆孔沒有鉆到基底，計(jì)算時采用了原設(shè)計(jì)圖墊層厚度約2m；本次鑒定地質(zhì)報(bào)告推薦混凝土容重為22.20kN/m3，原設(shè)計(jì)采用值為22.9 kN/m3。由以上計(jì)算成果看來，本次新增溢洪道壩段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應(yīng)力變化趨勢正常，計(jì)算方法可靠。

4 結(jié) 語

綜上所述，溢洪道建設(shè)是整體水庫建設(shè)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，工程的設(shè)計(jì)人員必須本著科學(xué)負(fù)責(zé)的態(tài)度，根據(jù)本工程的具體情況進(jìn)行溢洪道的布置和設(shè)計(jì)，發(fā)揮積極的探索精神是至關(guān)重要的，因?yàn)槟硞€工程獲得的經(jīng)驗(yàn)，不能完全照搬到其他工程上去，只能在實(shí)踐中取得豐富的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出內(nèi)在的規(guī)律性，然后結(jié)合不同工程的實(shí)際情況進(jìn)行合理的應(yīng)用。所以，工程設(shè)計(jì)人員必須勇于進(jìn)取，積極學(xué)習(xí)借鑒國內(nèi)外最先進(jìn)、最成熟的溢洪道設(shè)計(jì)工藝，不斷提升自身的設(shè)計(jì)水平，確保水庫溢洪道的布置設(shè)計(jì)能夠符合工程的要求。