洋河水庫除險加固工程泄流建筑物方案設(shè)計

韓李明

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司，天津 300250）

0 引言

洋河水庫位于河北省秦皇島市撫寧區(qū)大灣子村北洋河干流上，控制流域面積755km2，總庫容3.86億m3，為大（2）型水利樞紐工程。水庫任務(wù)以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用。水庫樞紐由攔河壩、正常溢洪道、非常溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水隧洞、西干渠放水洞、水電站及引青濟(jì)秦供水工程進(jìn)水口等建筑物組成[1]。

水庫自投入已運(yùn)行五十余年，工程建設(shè)周期較長，設(shè)計和施工的技術(shù)、裝備水平受當(dāng)時條件的限制，工程竣工后留有一些先天不足，給工程安全運(yùn)行帶來了許多不利因素。考慮洋河水庫是典型的“三邊”工程，投入運(yùn)行的時間較長，如何選擇合理的泄流方案，使下泄洪水平順歸槽，盡量降低對下游防護(hù)對象的安全威脅，同時保障河壩左壩肩安全穩(wěn)定，是除險加固工程泄流方案設(shè)計的關(guān)鍵和難點所在。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

洋河水庫現(xiàn)有的泄水建筑物包括泄洪洞、正常溢洪道和非常溢洪道，雖然1998年實施過除險加固工程，限于工程投資，未對超期服役的金屬結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備等進(jìn)行更新改造。所采用的引沖式非常溢洪道，由于可控性與安全度較差，啟用時決策困難，一旦啟用泄流將無法控制，極有可能危及下游防洪保護(hù)對象的安全，已與當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、洋河水庫重要的地理位置和其承擔(dān)的重要的防洪任務(wù)不相適應(yīng)。泄洪洞泄洪時，洞身為部分無壓、部分有壓狀態(tài)，流態(tài)較為復(fù)雜，會威脅洞身及左壩肩安全，洞身混凝土襯砌存在較多裂縫，其中環(huán)向裂縫居多，多數(shù)裂縫存在滲水現(xiàn)象，且有白色析出物。因此，在洋河水庫現(xiàn)有工程條件制約下，如何合理地選擇泄水建筑物的布置、形式和輪廓設(shè)計，優(yōu)選經(jīng)濟(jì)和便于施工的方案，是洋河水庫該次除險加固工程設(shè)計的關(guān)鍵和難點所在[2]。

現(xiàn)狀正常溢洪道位于大壩左岸，為開敞式，由進(jìn)水渠、閘室、陡槽及尾水渠組成，閘室分3孔布置，堰型為實用堰，采用挑流式消能，最大下泄流量2470m3/s?，F(xiàn)狀非常溢洪道位于大壩左岸，由進(jìn)水渠、溢洪口門、挑流段及泄水渠組成，溢洪口門為引沖式自潰壩，大于1000年一遇洪水啟用，最大下泄流量4035m3/s?，F(xiàn)狀泄洪洞位于左壩肩，為半有壓圓形隧洞，鋼筋混凝土襯砌，采用岸塔式進(jìn)水口，出口設(shè)消力池，最大泄流量198m3/s。

2 影響泄流方案效果的因素分析

洋河水庫泄流建筑物方案設(shè)計需要解決以下3個問題：1）現(xiàn)有泄洪洞泄洪時流態(tài)復(fù)雜，根據(jù)測壓管觀測，泄洪洞在有壓狀態(tài)下會影響左壩肩滲流穩(wěn)定。2）現(xiàn)有非常溢洪道下游有京山、京秦鐵路、102國道、205國道和京哈高速公路；主要城鎮(zhèn)有撫寧城區(qū)、留守營鎮(zhèn)及北戴河新區(qū)，總?cè)丝诩s40萬，耕地面積約3.33×108m2；據(jù)初步估計，在現(xiàn)狀條件下，啟用一次自潰壩式非常溢洪道所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失可能會達(dá)到20億元左右，間接經(jīng)濟(jì)損失更是難以估量。3）現(xiàn)有正常溢洪道左岸沒有擴(kuò)建空間，右岸為國家2級保護(hù)動物白鷺的臨時棲息地，工程擴(kuò)建不可避免地需要占用部分地塊。

3 泄流方案設(shè)計

水庫樞紐是一個由擋水、輸水及泄水等建筑物組成的綜合體，溢洪道、泄洪洞等組成水庫的泄水建筑物，承擔(dān)著水庫洪水下泄的重大任務(wù)。泄水建筑物的布置、形式和輪廓設(shè)計等取決于水文、地形、地質(zhì)以及泄水流量、泄水時間、上下游限制水位等任務(wù)和要求。設(shè)計時，一般先選定泄水形式，擬定若干個布置方案和輪廓尺寸，再進(jìn)行水利和結(jié)構(gòu)計算，結(jié)合樞紐中其他建筑物進(jìn)行綜合分析，選用既滿足泄水需要又經(jīng)濟(jì)合理、便于施工的最佳方案。

該文經(jīng)過對工程現(xiàn)場實際情況的認(rèn)真分析，并借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的大壩泄洪建筑物設(shè)計經(jīng)驗，根據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程的要求，通過水力學(xué)計算及數(shù)值模擬分析計算，初步確定了適合該工程的泄水建筑物設(shè)計方案，并進(jìn)行了對比分析。

3.1 泄洪洞運(yùn)行方案選擇

為了改善泄洪洞洞內(nèi)流態(tài)，考慮以下兩種方案：1）采用工作閘門局開控制泄流量，按無壓洞設(shè)計。2）在泄洪洞出口增設(shè)工作閘門，將泄洪洞改建為有壓洞。方案比選如下。

方案一：通過限制進(jìn)口工作閘門開度，保證泄洪洞身處于無壓流狀態(tài)。此方案僅需對泄洪洞進(jìn)行簡單的維修改造及缺陷處理即可滿足要求。方案二：將泄洪洞改建為有壓洞，考慮原洞身襯砌裂縫較多，且多數(shù)裂縫存在滲漏，并有白色析出物，因此對洞身的加固采用將洞身襯砌拆除重新澆筑的措施。

方案一將泄洪洞按無壓洞運(yùn)行，安全性高且施工難度小，投資也比改建有壓洞方案大大減少，但需要通過閘門開度控制泄流量，10年一遇洪水需要和溢洪道配合使用，運(yùn)行管理較復(fù)雜。方案二將泄洪洞改建為有壓洞，加大了泄流量，10年一遇洪水不需啟用溢洪道，運(yùn)行管理相對簡便。但需要在出口增設(shè)工作閘門，并將洞身襯砌拆除重建，因此大大增加了土建投資；從施工導(dǎo)流角度來看，泄洪洞進(jìn)口施工圍堰的施工難度非常大，實施的可能性很低；從運(yùn)行安全方面考慮，由于泄洪洞緊鄰主壩且進(jìn)水塔下游山體較薄，巖層主要為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，一旦出現(xiàn)洞身裂縫貫穿襯砌或者止水失效等情況，勢必影響主壩安全，因此按有壓洞運(yùn)行比無壓洞安全性低。

經(jīng)綜合比選，設(shè)計方案推薦采用安全性高、投資少的無壓洞方案。

3.2 溢洪道改擴(kuò)建方案選擇

該文以是否保留非常溢洪道的泄流功能為序擬定了以下3種方案。

方案Ⅰ：將非常溢洪道自潰壩改建成永久副壩，通過改、擴(kuò)建建正常溢洪道，擬定以下兩個方案。1）將現(xiàn)有正常溢洪道拆除，新建5孔閘，單孔凈寬12.5m；堰頂高程降至53.51m，堰型采用駝峰堰；底板與閘墩采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墩采用衡重式擋土墻；新建啟閉機(jī)室及交通橋。2）將現(xiàn)有正常溢洪道拆除，新建3孔閘，單孔凈寬12.0m；堰頂高程降至47.00m，堰型采用寬頂堰；底板與閘墩采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墩采用衡重式擋土墻；新建啟閉機(jī)室及交通橋。

方案Ⅱ：非常溢洪道自潰壩維持現(xiàn)狀不變，通過改、擴(kuò)建建正常溢洪道，擬定以下3個方案。1）將現(xiàn)有正常溢洪道拆除，新建4孔閘，單孔凈寬12.5m；堰頂高程降至53.51m，堰型采用駝峰堰；底板與閘墩采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墩采用衡重式擋土墻；新建啟閉機(jī)室及交通橋。2）將現(xiàn)有正常溢洪道拆除，新建3孔閘，單孔凈寬12.0m；堰頂高程降至49.00m，堰型采用寬頂堰；底板與閘墩采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墩采用衡重式擋土墻；新建啟閉機(jī)室及交通橋。3）將現(xiàn)有正常溢洪道閘墩、上部結(jié)構(gòu)及右側(cè)上下游擋墻拆除重建，保留底板及實用堰。并進(jìn)行相應(yīng)的加固處理，加固后堰頂高程仍保持53.91m，中墩厚2.0m，為3孔，單孔凈寬11.5m；在右側(cè)新建2孔，單孔凈寬9.0m，溢流堰堰型采用駝峰堰曲線，堰頂高程為汛限水位53.51m。

方案Ⅲ：將非常溢洪道自潰壩改建成常規(guī)閘，啟用標(biāo)準(zhǔn)仍維持超1000年水位啟用。非常溢洪道改建為5孔閘，單孔凈寬12.0m，采用寬頂堰，堰頂高程56.31m；新建啟閉機(jī)室及交通橋。將現(xiàn)有正常溢洪道拆除，新建3孔閘，單孔凈寬12.0m，溢流堰堰型采用駝峰堰曲線，堰頂高程降低至53.51m；底板與閘墩采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墩采用衡重式擋土墻；新建啟閉機(jī)室及交通橋。

3.3 溢洪道改、擴(kuò)建方案綜合比較

溢洪道改擴(kuò)建方案綜合比較匯總表見表1。

表1 溢洪道改擴(kuò)建方案綜合比較匯總表

經(jīng)上述綜合比較，推薦方案如下：非常溢洪道自潰壩改建成副壩，相應(yīng)正常溢洪道堰頂高程降至53.51m（汛限水位），向右側(cè)擴(kuò)至5孔。

將現(xiàn)有正常溢洪道拆除新建5孔閘，單孔凈寬12.5m；溢流堰堰型采用駝峰堰曲線，堰頂高程降低0.4m至53.51m；底板與閘墩采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墩采用衡重式擋土墻。新建啟閉機(jī)室及交通橋。

非常溢洪道自潰壩改建成副壩。副壩防洪標(biāo)準(zhǔn)同主壩，為100年一遇洪水設(shè)計，2000年一遇洪水校核。壩頂高程66.81m，上游壩肩設(shè)混凝土防浪墻，下游壩肩設(shè)漿砌石防護(hù)墩；壩頂設(shè)置凈寬7.0m混凝土路面，兼做左側(cè)村莊交通通道；上游壩坡1∶3，下游壩坡1∶2。

3.4 泄水建筑物泄量計算

3.4.1 泄洪洞泄流能力計算

泄洪洞設(shè)計結(jié)合溢洪道加固方案，采用閘門局開控制泄流量，按無壓洞設(shè)計，計算保證泄洪洞洞身為無壓流下的情況下，泄洪洞所能通過的最大設(shè)計流量和閘門開度e。其泄流量可由閘孔自由出流的公式計算[3]，如公式（1）所示。

式中：H為由有壓短洞出口的閘孔底板高程起算的上游水深（m）；ε為有壓短洞出口工作閘門垂直收縮系數(shù)；e為閘孔開啟高度（m）；B為水流收縮斷面處的底寬（m）；μ為短洞有壓段的流量系數(shù)。

3.4.2 溢洪道泄流能力計算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》[4]，開敞式實用堰的泄流能力計算公式如公式（2）所示。

式中：Q為流量（m3/s）；B為溢流堰總凈寬（m）；H0為計入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭（m），H0=H+v2/2g；g為重力加速度（m/s2），取g=9.81m/s2；C為上游堰坡影響系數(shù)，取C=1.0；m為流量系數(shù)；ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)，取σs=1.0。

溢洪道駝峰堰流量系數(shù)通過水工模型試驗的成果選用，根據(jù)溢洪道泄流能力試驗數(shù)據(jù)擬合出水位-流量經(jīng)驗關(guān)系。泄流能力采用綜合流量系數(shù)表示，包括上游庫區(qū)地形、引水渠、堰面曲線、側(cè)收縮、閘孔開啟方式等條件的影響。溢洪道綜合流量系數(shù)曲線表達(dá)式如公式（3）所示[2]。

3.4.3 自潰壩泄流能力計算

引充式自潰壩潰壩后，過流能力按寬頂堰公式進(jìn)行計算，如公式（4）所示。

式中：Q為流量（m3/s）；B為堰頂總凈寬（m）；H0為計入流速水頭的堰上總水頭（m）；m為寬頂堰流量系數(shù)，取m=0.385；ε為側(cè)收縮系數(shù)，取0.986~0.998；σ為自由出流，取σ=1。

3.5 方案驗證

3.5.1 洪水調(diào)節(jié)演算驗證

根據(jù)確定的水庫調(diào)度運(yùn)用方式和泄水建筑物水位-泄量關(guān)系進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)演算[5]，以上6個方案的調(diào)洪演算結(jié)果見表2。

由表2可以看出，推薦方案的特征水位、下泄流量與水庫原特征指標(biāo)較為一致，在滿足水庫泄流安全的情況下，基本不會改變水庫原運(yùn)行調(diào)度方式。

表2 不同方案調(diào)洪演算成果

3.5.2 水工模型試驗驗證

水庫泄流建筑物設(shè)計方案通過整體水工模型試驗進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化驗證。根據(jù)試驗?zāi)康暮驮囼灄l件，通過建立模型比尺1∶65的溢洪道整體水工模型，針對洋河水庫溢洪道全開與局部開啟條件下的泄流能力、溢洪道沿程水面線與壓強(qiáng)分布、出口體型與流態(tài)變化、消能沖刷與河道岸邊流速等問題，進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究，試驗結(jié)果驗證了推薦方案的合理性[2，6-7]。推薦方案水工模型試驗布置如圖1和圖2所示。

圖1 溢洪道模型上游情況

圖2 溢洪道模型閘室安裝情況

4 結(jié)語

水庫的防洪與泄洪安全關(guān)乎國計民生，是水庫工程設(shè)計的重中之重。在受現(xiàn)有工程制約的情況下，該文通過多方案優(yōu)選，采用了“泄洪洞通過控制流量改為無壓洞運(yùn)行，非常溢洪道自潰壩改建成副壩，相應(yīng)正常溢洪道堰頂高程降至53.51m（汛限水位），向右側(cè)擴(kuò)至5孔”的泄流布置組合方案，并對不同的方案組合進(jìn)行了調(diào)洪演算。根據(jù)演算成果，所有比較方案均可行，但推薦方案的特征指標(biāo)更接近水庫原設(shè)計指標(biāo)，推薦方案更合理。推薦方案擴(kuò)建溢洪道受場地限制，但通過整體水工模型試驗，該文對溢洪道布置進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，使推薦方案更可行和合理。