黟縣拜年山水庫溢洪道工程設(shè)計(jì)

丁艷芳

（安徽榮景工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,安徽 合肥 230000）

1 溢洪道布置

壩址區(qū)兩岸為高山,附近沒有合適的天然埡口,難以布置岸邊式溢洪道。本工程選擇了壩身泄洪的方式。本工程為?。?）型工程,工程管理設(shè)施相對簡單,管理人員較少,為了工程管理方便,選定在壩頂設(shè)開敞式溢流表孔,不設(shè)閘門控制,堰頂高程平汛限水位（正常蓄水位）330 m。拜年山水庫泄洪任務(wù)全部由溢流表孔承擔(dān),通過表孔泄洪,可使拜年山水庫達(dá)到30 年一遇設(shè)計(jì)、200 年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)。由于河道走向原因,為使進(jìn)流平順,并盡量減小對下游岸坡的沖刷影響,溢流表孔布置在河床段靠左岸部位。

2 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 控制段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄洪方式采用壩身自由溢流,溢流表孔位于河床段,左側(cè)邊墻距大壩左壩頭建基面的水平距離為54.8 m。溢流堰頂高程為330.00 m,平正常蓄水位；溢流總凈寬為20 m,均分為2 孔。溢流表孔為開敞式WES 堰,堰面曲線由三段組成。

（1）堰頂（坐標(biāo)原點(diǎn),下同）上游段為三圓弧曲線（見表1）,曲線上游端下接豎直段至327 m 高程,以下按1∶1 倒坡與壩體相連接。

表1 堰頂上游三圓弧曲線

（2）堰頂下游采用冪曲線,定型設(shè)計(jì)水頭Hd取2.5 m,為200 年一遇校核洪水位時(shí)堰頂最大水頭Hmax（3.06 m）的81.7%。堰面曲線方程為：x1.85=2×（2.5）0.85×y。

（3）溢流堰面以1∶0.75 的直線段與反弧段連接。反弧半徑11 m,挑角20°,鼻坎頂高程284.90 m。

溢洪道均分為2 孔,設(shè)中墩1 個(gè),中墩順?biāo)鞣较蜷L6.4 m,厚2 m,上下游墩面為半徑1 m 的半圓形弧面。兩側(cè)邊墩厚1.2 m,上游端為半徑1 m 的1/4 圓弧+0.2 m,邊墩順?biāo)鞣较蜷L6.4 m,邊墩下游端與泄槽側(cè)墻連接。溢洪道頂部設(shè)2 跨梁板式工作橋,凈跨10.0 m,與溢洪道墩墻整澆,分縫位置與縫寬同壩體橫縫。橋面板厚0.5 m,采用C30 現(xiàn)澆鋼筋混凝土,橋面橫坡為雙向1.5%,通過護(hù)欄基礎(chǔ)排水管向兩側(cè)排水。橋面凈寬4.5 m,兩側(cè)護(hù)欄基礎(chǔ)寬0.5 m 高0.2 m,橋面總寬為5.5 m。工作橋兩端設(shè)仿漢白玉欄桿,高度不小于1.2 m。工作橋與兩側(cè)壩頂之間通過1∶8 緩坡進(jìn)行連接。

2.2 泄槽段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溢洪道泄槽兩側(cè)邊墻順?biāo)飨蚱叫?與控制段邊墩下游側(cè)等厚齊平,垂直于壩軸線,泄槽段凈寬22 m。泄槽段底板底坡坡度為1∶0.75,與壩身之間采用階梯狀連接,底板泄槽法向厚度1.4 m～2.0 m。由于泄槽內(nèi)泄洪流速較大,為避免沖蝕采用C40 現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)（分析內(nèi)容見“防空蝕設(shè)計(jì)”章節(jié)）,泄槽底板與壩身之間設(shè)插筋連接。泄槽底板設(shè)縱橫縫各一道,分縫位置與壩體分縫保持一致?？p間設(shè)雙層止水,表層為紫銅片止水,下層為橡膠止水。

泄槽邊墻與底板保持一致,采用C40 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),厚1.2 m,邊墻豎向高度3.8 m,泄槽邊墻坡度與溢流面保持一致為0.75。

2.3 挑流段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

河床覆蓋層3.0 m～4.0 m,為沖堆積的砂卵石和人工棄石及山坡崩塌的大塊石,河床下覆巖層呈弱風(fēng)化至微風(fēng)化狀態(tài),節(jié)理裂隙不發(fā)育,僅有幾條以巖層面裂隙出現(xiàn),且細(xì)閉短小,裂面附有方解石薄膜,膠結(jié)良好,巖層傾向上游,巖體較完整,抗沖刷能力較強(qiáng)。巖層產(chǎn)狀傾向300°～320°∠68°～72°。本次拜年山水庫采用挑流消能,挑流鼻坎為連續(xù)式挑坎,挑弧半徑及挑坎頂高程維持原可研不變,設(shè)計(jì)挑弧半徑11 m,挑流鼻坎頂高程288.50 m,經(jīng)過比選挑角采用20°,高于下游最高水位284.56 m（P=0.5%）,挑弧最低點(diǎn)高程287.84 m。挑流鼻坎與泄槽段一致,采用C40 現(xiàn)澆鋼筋砼,與壩身之間設(shè)插筋連接。鼻坎混凝土底部水平,高程284.84 m,在挑弧最低點(diǎn)厚3 m,挑流鼻坎懸挑0.9 m。

2.4 下游護(hù)坦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

挑坎下游設(shè)置一定長度的護(hù)坦,對經(jīng)常宣泄小洪水又不能將下泄水流挑離挑坎的溢洪道,尤為重要。為減少泄放小流量時(shí)貼壁流及跌流沖刷挑坎基腳而影響建筑物安全,本次設(shè)計(jì)擬在挑坎下游結(jié)合壩基施工開挖面回填C15 砼,在C15砼表面設(shè)置1.5 m 厚護(hù)坦,順?biāo)鞣较蜷L9.4 m,沿壩下全斷面布置,垂直水流方向?qū)?8.5 m。護(hù)坦頂高程278.00 m,為避免水流沖蝕采用C30 現(xiàn)澆鋼筋砼。

2.5 游護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擬建壩址下游現(xiàn)狀河道岸坡未護(hù)砌,局部岸坡崩塌,為防止水庫泄洪時(shí)水流沖刷加劇下游岸坡失穩(wěn),在大壩下游河道兩側(cè)新建扶壁式擋土墻護(hù)岸及漿砌石護(hù)坡。擋墻墻身總高度10.8 m～7.7 m。其中大壩下游右岸閘閥室平臺附近擋墻高度為10.8 m,擋墻頂高程同閘閥室平臺288.00 m,底板前趾高程與護(hù)坦頂高程一致,為278.00 m。該段護(hù)岸長20 m,墻身厚0.8 m,底板厚0.8 m,趾板長0.8 m,踵板長7.0 m,扶壁厚度0.8 m,扶壁凈間距5 m。擋墻趾板與護(hù)坦連接部位設(shè)橡皮止水。擋墻基礎(chǔ)坐落在基巖上,擋墻根部設(shè)防沖凸隼,凸隼高0.8 m,與墻身等厚。

大壩下游左岸及右岸后段擋墻高度為7.6 m,其中左岸擋墻長10 m,右岸長64 m（右岸另有過渡段擋墻長30 m,擋墻高10.7 m～7.7 m）。墻身厚0.7 m,底板厚0.7 m,趾板長0.7 m,踵板長5 m,扶壁厚度0.7 m,扶壁凈間距5 m。擋墻趾板與護(hù)坦連接部位設(shè)橡皮止水。擋墻根部設(shè)防沖凸隼,凸隼高0.7 m,與墻身等厚。大壩擋墻頂部大壩左岸擋墻后接M10 漿砌石護(hù)坡,護(hù)坡厚0.6 m,漿砌石護(hù)坡高度可根據(jù)實(shí)際基巖面出露情況進(jìn)行調(diào)整,但不得高于6 m、坡度不得陡于1∶1.1。護(hù)坡底部設(shè)C25 砼護(hù)腳墻。

3 溢洪道過流能力復(fù)核

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）規(guī)定開敞式溢洪道采用WES 實(shí)用堰,上游堰高P=41.4 m,P/Hd＞1.33 為高堰,堰頂高程為330.00 m,采用堰流公式A.2.1-1：

式中：Q 為泄流量,m3/s；n 為閘孔數(shù)目,為2；b 為單孔寬度,為10 m；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭,m；m 為流量系數(shù)；c 為上游堰坡影響系數(shù),上游堰面鉛直時(shí)c=1.0；ε為閘墩側(cè)向收縮系數(shù),其中ξ0和ξk分別為中墩和邊墩形狀系數(shù)；σs為淹沒系數(shù),取1.0。

溢流堰泄流能力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 溢洪道泄流能力計(jì)算結(jié)果

在30 年一遇設(shè)計(jì)水位332.14 m 和200 年一遇校核水位333.06 m情況下,溢洪道的泄流能力分別為134 m3/s、233 m3/s。加之本次計(jì)算未考慮行進(jìn)流速水頭作用,因此溢流堰泄流能力滿足調(diào)洪演算所需下泄流量的要求。

4 溢洪道控制段高程復(fù)核

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）,結(jié)合本工程溢洪道采用無閘控制自由泄流型式,控制段閘墩及岸墻頂部高程取下列兩種計(jì)算值較大值：

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 溢洪道控制段高程復(fù)核成果表

根據(jù)計(jì)算,溢洪道控制段墩墻頂部高程不得低于333.36 m。本次設(shè)計(jì)溢洪道控制段閘墩頂高程為333.70 m,滿足要求；工作橋梁底應(yīng)高出最高水位不小于0.5 m,工作橋梁底高程為333.70 m,橋下凈空高度滿足要求。

5 溢洪道消能計(jì)算

河床覆蓋層3.0 m～4.0 m,為沖堆積的砂卵石和人工棄石及山坡崩塌的大塊石,河床下覆巖層呈弱風(fēng)化至微風(fēng)化狀態(tài),節(jié)理裂隙不發(fā)育,僅有幾條以巖層面裂隙出現(xiàn),且細(xì)閉短小,裂面附有方解石薄膜,膠結(jié)良好,巖層傾向上游,巖體較完整,抗沖刷能力較強(qiáng)。巖層產(chǎn)狀傾向300°～320°°∠68°～72°。本次設(shè)計(jì)溢洪道采用挑流消能,根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）,本工程消能防沖建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)選用20 年一遇洪水,對應(yīng)水庫下泄流量為107 m3/s。

消能設(shè)施對于消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水及以下各級洪水,尤其是常遇洪水及可能出現(xiàn)的不利情況,應(yīng)結(jié)構(gòu)可靠、消能效率高,并具有良好的防空蝕、抗磨蝕、抗冰害能力；對超過消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水,允許消能防沖建筑物出現(xiàn)局部破壞,但不應(yīng)危及大壩及其他主要建筑物安全,且應(yīng)易于修復(fù),不影響樞紐長期運(yùn)行。因此本次初步設(shè)計(jì)對各級流量下溢洪道消能防沖情況進(jìn)行計(jì)算,并據(jù)此對消能防沖建筑物設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核。

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）規(guī)定,水舌拋距按如下公式計(jì)算：

式中：L 為水舌拋距,m；v1為坎頂水面流速,m/s,按鼻坎處平均流速v 的1.1 倍計(jì)；θ為挑流鼻坎的挑角,（°）；h1為坎頂垂直方向的水深,m,h1=h/cosθ；h2為坎頂至河床面高差,m,如沖坑已經(jīng)形成,可算至坑底；h 為坎頂平均水深,m；g 為重力加速度,m/s2。

挑坎平均流速v 可按以下兩種方法計(jì)算：

1）方法一：按照流速公式計(jì)算,適用范圍：S＜18 q2/3。

式中：φ為堰面流速系數(shù)；v 為挑坎末端斷面的平均流速,m/s；Z0為坎頂末端斷面水面以上的總水頭,m；hf為泄槽沿程損失水頭,m；hj為泄槽各項(xiàng)局部水頭損失之和,m,可取hj/hf為0.05；S 為泄槽流程長度,m；q 為泄槽單寬流量,m3/（s·m）。

2）方法二：按推算水面線方法計(jì)算,挑坎末端水深可近似采用泄槽末端斷面水深,按推算泄槽段水面線方法求出；單寬流量除以該水深可得挑坎斷面的平均流速。

最大沖坑水墊厚度計(jì)算公式如下：

式中：T 為水墊厚度,自水面算至坑底,m；tk為沖坑深度,m；q 為單寬流量,m3/（s·m）；h'為下游水深,m；Z 為上下游水位差,m；k 為沖刷系數(shù),其中沖坑系數(shù)按k 偏安全考慮取1.4。

計(jì)算成果見表4。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,消能防沖20 年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下,計(jì)算水舌挑距為35.02 m,沖坑位于下游河道中部,水墊厚度8.15 m,沖坑深度2.75 m,沖坑上游邊坡約為1∶12.73,滿足要求。同時(shí)從上表中可以看出,各計(jì)算工況下沖坑坑底距壩腳之間的坡度均較緩,滿足安全坡度要求,對壩腳穩(wěn)定不會產(chǎn)生影響。在校核條件下,計(jì)算水舌挑距較遠(yuǎn),為盡量保證安全,減少泄洪水流對其他建筑物的破壞,本次結(jié)合壩線比選將壩軸線繞左岸壩肩向下游旋轉(zhuǎn)8°的同時(shí),將溢流壩段向左岸壩肩方向平移5 m。另一方面將閘閥室進(jìn)場道路進(jìn)行調(diào)整,向右側(cè)開挖部分山體將閘閥室進(jìn)場道路進(jìn)一步向右偏移。經(jīng)過以上處理,校核洪水時(shí)水舌挑距最遠(yuǎn)端距離閘閥室進(jìn)場道路約6 m。一定程度上可減小校核洪水這一特殊工況下水流對下游閘閥室進(jìn)場道路及岸坡的沖刷破壞,減小修復(fù)工作工作量及修復(fù)難度。

6 結(jié)語

溢洪道用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水,保證壩體安全的開敞式或帶有胸墻進(jìn)水口的溢流泄水建筑物。溢洪道一般不經(jīng)常工作,卻是水庫樞紐中的重要建筑物,因此,本文重點(diǎn)分析了黟縣拜年山水庫溢洪道工程設(shè)計(jì),溢洪道的布置、溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溢洪道過流能力復(fù)核、溢洪道控制段高程復(fù)核、溢洪道消能計(jì)算。