王明磊

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽 110006）

1 工程概況

大風(fēng)口水庫建成于1975年，總庫容為2億m3，屬大（2）型水利樞紐工程，水庫工程等別為Ⅱ等，攔河壩、溢洪道及輸水洞等主要水工建筑物級別為2級，是一座以防洪、工業(yè)供水、灌溉為主，兼有養(yǎng)魚等綜合利用的水利樞紐工程。

水庫溢洪道為2孔開敞式溢洪道，位于攔河壩右側(cè)的山凹處，總長373 m，由進水渠、控制段、泄槽、消能防沖設(shè)施及壩腳防護五部分組成。其中進水渠長39 m，控制段長10 m，泄槽長313 m，消能挑坎段長11 m。

堰體為無底坎寬頂堰，溢流堰總寬20 m，單孔凈寬9.25 m，堰頂高程104.20 m，設(shè)計最大泄量1819 m3/s。堰上設(shè)有兩扇9.25×5.50 m升臥式平板鋼閘門。

溢洪道邊墻及底板經(jīng)過30多年的沖刷、凍脹，破壞十分嚴重，多處起鼓、脫落，混凝土表層剝落，局部鋼筋外露，已嚴重影響溢洪道結(jié)構(gòu)安全，出口挑坎結(jié)構(gòu)局部破損?；炷吝厜?、底板及閘墩存在貫穿裂縫，結(jié)構(gòu)縫錯位，混凝土局部振搗不實，粗骨料集中，表面混凝土剝蝕，鋼筋外露、銹蝕等現(xiàn)象；溢洪道進水口翼墻、閘墩、底板及側(cè)墻混凝土抗壓強度等物理力學(xué)指標(biāo)均不能滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范要求。

2 溢洪道存在的問題

在溢洪道施工過程中，由于受到工期、資金及施工工藝等因素的限制，加上施工期間只求進度，不顧質(zhì)量，造成目前溢洪道泄洪存有嚴重安全隱患。

1）溢洪道施工時，為將溢洪道基礎(chǔ)坐落在新鮮巖石上，兩個彎道布置于泄槽陡坡段，致使溢洪道布置較為復(fù)雜，水流條件極為不好。溢洪道泄流時，受兩個彎道影響，在離心力及正負擾動下，產(chǎn)生沖擊波，在陡槽左右岸邊墻反復(fù)折射，導(dǎo)致彎道處外側(cè)下泄水流水面比內(nèi)側(cè)偏高，這種內(nèi)外側(cè)水位差會隨著下泄流量的增加，表現(xiàn)得更加明顯。這種理論分析在1992年完成的溢洪道整體水工模型試驗中也得到了充分印證。試驗顯示，在校核水位工況下泄洪時，泄槽局部部位外側(cè)水面較內(nèi)側(cè)將高達4 m。

2）溢洪道泄槽底板坡度起伏較大，從上至下分別為 0.0052，0.40，0.15，0.2，主要是施工時根據(jù)爆破開挖坡度所定，底板坡度的不規(guī)律性加大了水流流態(tài)的不穩(wěn)定。

3）為減少開挖、縮短工期、節(jié)省資金，溢洪道施工時修改了最初的設(shè)計，將溢洪道出口布置在了天然沖溝處，造成了目前下泄水流對輸水洞和大壩下游壩腳直接構(gòu)成威脅的現(xiàn)狀。

4）在溢洪道邊坡開挖過程中，使用了豎井大爆破，造成邊坡松動，且未進行必要的處理措施，加上巖石破碎，節(jié)理發(fā)育，邊坡陡峭，一旦出現(xiàn)大體積滑坡和崩塌，將對溢洪道造成嚴重堵塞，直接威脅水庫洪水的安全宣泄。

鑒于溢洪道已經(jīng)運行30多年，不僅結(jié)構(gòu)存在諸多問題，而且泄洪存在嚴重隱患，溢洪道已沒有再修復(fù)的價值，經(jīng)上級主管部門批準(zhǔn)，決定將溢洪道拆除重建。

3 加固方案設(shè)計

3.1 基本資料

3.1.1 水文資料

水庫樞紐主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計，5000年一遇洪水校核。水庫設(shè)計洪水位113.66 m，溢洪道相應(yīng)泄量823 m3/s，校核洪水位119.48 m，溢洪道相應(yīng)泄量1819 m3/s。

3.1.2 地質(zhì)資料

溢洪道處于壩址右岸兩山山丘鞍部人工開鑿而成，控制段坐落在中風(fēng)化或微風(fēng)化流紋斑巖，現(xiàn)狀地勢西高東低。區(qū)域?qū)儆趧兾g丘陵地貌單元，受人力活動因素影響嚴重，山體植被發(fā)育。出露基巖巖性主要為流紋斑巖，基巖裸露部分風(fēng)化程度為強風(fēng)化～中風(fēng)化。兩側(cè)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，強風(fēng)化帶巖體破碎，構(gòu)造和風(fēng)化裂隙密集，結(jié)構(gòu)面錯綜復(fù)雜，為破碎狀結(jié)構(gòu)。下部的中風(fēng)化巖體裂隙較發(fā)育，巖體為次塊狀結(jié)構(gòu)巖體，微風(fēng)化基巖巖體趨于完整，為塊狀結(jié)構(gòu)巖體。中風(fēng)化基巖節(jié)理傾向溢洪道內(nèi)，節(jié)理面貫通性強，多為閉合狀，局部裂隙張開，節(jié)理面光滑、平直。各組結(jié)構(gòu)面交錯不規(guī)則分布，使巖體被分割成大小不等的碎塊狀，易發(fā)生規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，當(dāng)有大氣降水沖刷時更加劇失穩(wěn)。控制段中～微風(fēng)化流紋斑巖透水率為0.0516～0.0846 L/（min·m·m），滲透性等級為弱透水。

3.2 溢洪道軸線布置

根據(jù)溢洪道整體水工模型試驗結(jié)論，同時考慮溢洪道現(xiàn)狀地形及地質(zhì)狀況，初步考慮以下三個設(shè)計方案，三個方案進口改造相同，主要比較泄槽、消能防沖及壩腳防護：

方案一（原軸線方案）：維持溢洪道走向現(xiàn)狀不變，依據(jù)1992年溢洪道整體水工模型試驗建議，重新修建溢洪道，修建溢洪道挑流沖坑及壩腳防護墻。

方案二（圓弧-直線延伸方案）：溢洪道前210 m軸線位置維持不變，其后接轉(zhuǎn)向彎道，使下泄水流平順流入河道，對溢洪道陡坡以下部位重新設(shè)計。

方案三（泄槽直線延伸方案）：溢洪道前210 m軸線位置維持不變，其后沿泄槽直線延伸,改變溢洪道軸線偏移方向，對溢洪道陡坡以下部位重新設(shè)計。各方案溢洪道軸線見圖1。

圖1 溢洪道各方案布置簡圖

通過對水力條件、施工工藝、施工工期、工程投資等因素的綜合分析比較，最終選定采用原軸線方案。

3.3 泄槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 斷面設(shè)計

原溢洪道泄槽有三處漸變段，泄槽底板寬度分別由20 m漸變至15 m，15 m漸變至18 m，18 m漸變至25 m，此外泄槽除局部采用了87m長梯形斷面，其余斷面均為矩形斷面。

由于下泄水流受到收縮斷面的影響，采用梯形斷面將會加大流速的不均勻分布，因此，泄槽斷面型式應(yīng)全部采用矩形斷面。

3.3.2 底坡設(shè)計

原溢洪道泄槽底坡分為四段，從上至下分別為 1∶0.0052，1∶0.4，1∶0.15 和 1∶0.2，主要是施工時根據(jù)爆破開挖坡度所定。

底板坡度的不規(guī)律性加大了水流流態(tài)的不穩(wěn)定，因此，應(yīng)盡可能使底板坡度連續(xù)，避免坡度起伏過大，確保水流平穩(wěn)銜接。通過對泄槽臨界底坡的計算，最終泄槽前段底坡采用1∶0.01，后段約100 m長，根據(jù)現(xiàn)場實際地形，底坡采用1∶5，集中形成較大落差。在泄槽底坡變化處采用y=0.01x+x2/35的拋物線方程連接。

3.3.3 彎道設(shè)計

原溢洪道共有兩處彎道，第一個彎道距進口80 m處，轉(zhuǎn)角為18°，泄槽寬度20 m，轉(zhuǎn)彎半徑50 m；第二個彎道距進口240 m處，轉(zhuǎn)角為46°，泄槽寬度18m，轉(zhuǎn)彎半徑72.5 m。

由于彎道的位置、角度以及轉(zhuǎn)彎半徑均受到現(xiàn)有地形的制約，所以只能通過其他工程措施改善彎道處的水流流態(tài)。

根據(jù)兩處彎道的流速、轉(zhuǎn)角等參數(shù)的不同，采用不同的工程措施進行處理：第一彎道由于流速較?。?.11 m/s）、轉(zhuǎn)角較?。?8°）、泄槽較寬，采用設(shè)置簡單橫向折流坎調(diào)整水流流態(tài)的方法，折流坎坎高取1 m；第二彎道由于流速較大（12.25 m/s）、轉(zhuǎn)角較大、泄槽縮窄，采用底板設(shè)置橫向超高調(diào)整水流流態(tài)的方法，底坡橫向坡度設(shè)置為1∶10。

底板的超高值可采用離心力方程進行推導(dǎo)：

在對泄槽急流彎道內(nèi)外側(cè)橫向水位差的分析時，分別采用小擾動沖擊波理論和經(jīng)驗公式兩種方法進行了計算：

1）小擾動沖擊波理論計算公式：

2）彎道段最大橫向水面差經(jīng)驗公式：

為保證工程安全可靠，最終采用兩種計算結(jié)果的較大值作為設(shè)計值，即第一彎道橫向水面差為1.05 m，第二彎道橫向水面差為1.9 m。

3.4 消能防沖設(shè)計

由于該工程溢洪道屬2級建筑物，其消能防沖設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水，但由于溢洪道臨近攔河壩，出口直對攔河壩壩腳，一旦破壞必將危機攔河壩的安全，故其防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與攔河壩相一致，采用5000年一遇洪水，相應(yīng)泄量1819.00 m3/s。

綜合考慮該工程設(shè)計水頭、流速以及地質(zhì)條件等因素，結(jié)合多年運行經(jīng)驗，溢洪道消能型式采用挑流消能較為合適。為減少沖深，改善沖刷狀況，挑流消能設(shè)施在平面上采用擴散式，挑流鼻坎選用矩形差動式鼻坎。

根據(jù)水面線推算，反弧最低點平均最大水深為3.85 m，挑流鼻坎低坎反弧半徑20 m，挑角27°，高坎反弧半徑12.5 m，挑角45°，高低坎高差1.5 m，高低坎寬度比為 2∶1。

挑流消能挑距和沖坑深度按照可按公式計算：

消能防沖計算結(jié)果見表1。

表1 消能防沖成果表m

4 結(jié) 語

在對該工程溢洪道存在的問題進行理論分析及計算的前提下，堅持技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、安全可靠的原則，提出了具有針對性的加固方案，消除了溢洪道的安全隱患，極好地解決了工程實際問題。

［1］王世夏編著.水工設(shè)計的理論和方法.北京：中國水利水電出版社，2000.

［2］齊金苑，于文成.勘測設(shè)計.施工技術(shù).（質(zhì)量管理卷）.北京：當(dāng)代中國音像出版社，2003.

［3］馬丹.水庫溢洪道除險加固工程設(shè)計思路［J］.水利科技與經(jīng)濟，2010，16（2）：57-158.

［4］李啟振.小型水庫溢洪道除險加固工程設(shè)計［J］.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010，10（3）：37-39.