某水庫溢洪道除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)要旨

劉連廣

（商丘市睢陽區(qū)水利局，河南 商丘 476100）

1 工程概況

某水庫建成于1978 年。溢洪道位于水庫大壩左側(cè)，為開敞式梯形堰，原設(shè)計(jì)堰頂高程為143.40 m，因水庫興建時(shí)溢洪道未開挖到位，現(xiàn)狀堰頂高程僅至144.20 m，底寬0.50 m，最大下泄流量3.70 m3/s。溢洪道泄流能力不滿足水庫防洪要求，未護(hù)砌，無消能設(shè)施，不能安全泄洪。

2 溢洪道工程設(shè)計(jì)要旨

2.1 進(jìn)口段工程設(shè)計(jì)

進(jìn)口段（樁號(hào)0+022～0+032）長(zhǎng)10 m，底坡為1∶25 的倒坡，進(jìn)口高程143 m，出口高程143.40 m。底寬由10 m漸變?yōu)? m。底部采用厚0.30 m的C20混凝土護(hù)砌，下鋪0.10 m厚C10混凝土墊層，兩側(cè)邊墻為C20混凝土重力式八字墻。

2.2 控制段工程設(shè)計(jì)

控制段（樁號(hào)0+032～0+042）長(zhǎng)10 m，堰頂寬4 m，堰頂高程143.40 m，底部采用厚0.30 m的C20混凝土護(hù)砌，下鋪0.10 m厚C10 混凝土墊層，兩側(cè)邊墻為C20 混凝土重力式擋土墻，墻頂高程145.50 m。

2.3 陡坡段工程設(shè)計(jì)

陡坡段（樁號(hào)0+042～0+076.80）長(zhǎng)34.80 m，底寬4.00 m，縱向坡比1∶3。底部采用0.30 m 厚C25 混凝土護(hù)砌，下鋪設(shè)0.10 m厚的C10混凝土墊層，兩側(cè)邊墻采用C20混凝土重力式擋土墻，墻頂高出底板1.50 m。樁號(hào)0+042～0+056 長(zhǎng)14 m 為陡坡段彎道部分，中心線轉(zhuǎn)彎角33°，轉(zhuǎn)彎半徑24 m。

2.4 消能段工程設(shè)計(jì)

消能段（樁號(hào)0+76.8～0+086.80）長(zhǎng)10 m，底寬4 m，深1.50 m，底部高程131.80 m，出口頂部高程133.30 m，底板為0.50 m 厚C25混凝土，下設(shè)0.40 m厚反濾層。邊墻均采用C20混凝土重力式擋土墻，墻頂高程135 m。

2.5 海漫段工程設(shè)計(jì)

海漫段長(zhǎng)10 m，底寬由11.20 m 漸變至14 m，底部高程133.30 m，采用0.30 m 厚M7.5 漿砌石護(hù)底，下鋪0.10 m 厚碎石墊層。左側(cè)為M7.5漿砌石仰斜式擋土墻，迎水面坡比1∶0.80，墻頂高程135 m。右側(cè)為M7.5 漿砌石護(hù)坡，厚0.30 m，下鋪0.10 m厚碎石墊層，護(hù)坡頂部高程135 m，坡比1∶3。

2.6 溢洪道泄流能力計(jì)算

除險(xiǎn)加固后水庫泄水建筑物為開敞式寬頂堰，堰頂高程143.40 m，堰頂寬4 m，按寬頂堰自由溢流情況計(jì)算其泄流能力，流量系數(shù)取0.36。計(jì)算成果見表1。

表1 除險(xiǎn)加固后溢洪道泄流能力計(jì)算成果表

2.7 溢洪道消能計(jì)算

結(jié)合實(shí)際地形，消能工采用底流式消能。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，山區(qū)、丘陵區(qū)水利水電工程5級(jí)消能防洪建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。此建筑物級(jí)別為5級(jí)，消能防洪按10年一遇洪水計(jì)算，相應(yīng)庫水位144.51 m，溢洪道下泄流量7.50 m3/s。消能計(jì)算公式如下：

式（1）（2）（3）（4）中：d—消力池深度，m；σ0—水躍淹沒系數(shù)，采用1.05；—躍后水深，m；hc—收縮水深，m；α—水流動(dòng)能校正系數(shù)，采用1.00；q—單寬流量，1.88 m3/s/m；b1—消力池首端寬度，m；b2—消力池末端寬度，m；T0—由消力池底板頂面算起的總勢(shì)能，m；△Z—出池落差，m；—出池水深，m。

消力池長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

式（5）（6）中：Lsj—消力池長(zhǎng)度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度，m；β—水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，采用0.70；Lj—水躍長(zhǎng)度，m。

消力池底板厚度計(jì)算如下：

式（7）（8）中：t—消力池底板始端厚度，m，末端厚可取t/2，但不宜小于0.50 m；ΔH′—上下游水位差，m；K1—底板計(jì)算系數(shù)，取0.20；K2—底板安全系數(shù)，取1.30；U—作用在底板底面揚(yáng)壓力，kPa；W—作用在底板頂面的水重，kPa；Pm—作用在底板上的脈動(dòng)壓力，kPa，取躍前收縮斷面流速水頭值的5%；γb—消力池底板的飽和容重，kN/m3。

經(jīng)計(jì)算得：消力池深應(yīng)為d=1.28 m，長(zhǎng)應(yīng)為9.61 m，底板厚度應(yīng)為0.50 m。此次設(shè)計(jì)取消力池深1.50 m，長(zhǎng)10 m，底板厚度0.50 m，滿足要求。

2.8 溢洪道水面線推算及邊墻高度復(fù)核

A段為溢洪道控制段，進(jìn)口水面線為300年一遇校核洪水位145.24 m，出口為臨界水深對(duì)應(yīng)水位143.40 m+1.17 m=144.57 m?？刂贫蝺蓚?cè)邊墻頂部高程為145.50 m，超出校核洪水位0.26 m，滿足要求。

B 段既陡坡段，其水面線根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算。陡坡段進(jìn)口為緩坡變?yōu)槎钙绿?，?duì)應(yīng)水深為該處臨界水深，經(jīng)計(jì)算臨界水深為1.17 m。陡坡其他段水深以此臨界水深為控制水深，采用上述能量方程分段推算。陡坡段水面線計(jì)算成果見表2。

表2 陡坡段水面線計(jì)算成果表

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，陡坡段邊墻高度應(yīng)不低于摻氣后的水面線高度，加0.50～1 m的安全超高。由表2可知，陡坡段兩側(cè)邊墻底板以上高度均大于摻氣后水深，滿足不出槽要求。

D 段水面線，海漫段水深可按寬頂堰流公式計(jì)算，流量系數(shù)取0.36，堰寬取11.20 m，經(jīng)計(jì)算，海漫段水深約為0.93 m，海漫段兩側(cè)護(hù)砌高度為1.70 m，滿足要求。

2.9 溢洪道邊墻穩(wěn)定復(fù)核

溢洪道邊墻均采用C20混凝土重力式擋土墻，基礎(chǔ)均坐落在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上，地基容許承載力280 kPa。邊墻穩(wěn)定復(fù)核選取控制段及消力池邊墻進(jìn)行復(fù)核?？够€(wěn)定復(fù)核采用抗剪公式，地基應(yīng)力采用材料力學(xué)方法。邊墻穩(wěn)定復(fù)核成果見表3。計(jì)算結(jié)果表明，控制段及消力池邊墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于最小安全系數(shù)，基底壓力最大值小于基礎(chǔ)允許承載力280 kPa，穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

表3 邊墻穩(wěn)定復(fù)核成果表

2.10 防空蝕驗(yàn)算

采用如下公式進(jìn)行水流空化數(shù)計(jì)算：

式（9）（10）中：σ—水流空化數(shù)；h0—來流參考斷面時(shí)均壓力水頭，m；v0—來流參考斷面平均流速，m/s；ha—建筑物所在地區(qū)的大氣壓力水柱，m；hv—水的汽化壓力水柱，參照庫水溫度取用0.17 m。

采用溢洪道30 年一遇設(shè)計(jì)狀況進(jìn)行復(fù)核，設(shè)計(jì)水位144.77 m，設(shè)計(jì)泄量10.20 m3/s?？刂贫蔚撞扛叱?43.40 m，經(jīng)計(jì)算，控制段底部水流空化系數(shù)為29.35，大于初生空化數(shù)1.05，可以不做防空蝕設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

總之，根據(jù)溢洪道泄流能力計(jì)算、溢洪道消能計(jì)算、溢洪道水面線推算及邊墻高度復(fù)核、溢洪道邊墻穩(wěn)定復(fù)核等結(jié)果及復(fù)核成果，將溢洪道堰頂恢復(fù)至原設(shè)計(jì)高程143.40 m，并將溢洪道擴(kuò)寬至4 m，對(duì)溢洪道進(jìn)口段、控制段、陡坡段、消能段及海漫段進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)，達(dá)到水庫溢洪道除險(xiǎn)加固的目的。