陸曉英

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司云南分院，云南 昆明 650000）

0 前言

河中水庫(kù)位于云南省臨滄市云縣愛(ài)華鎮(zhèn)。擬建水庫(kù)流域所在河流為南箐河，屬瀾滄江流域?yàn)憸娼?，位于瀾滄江中段左岸二?jí)支流南箐河上游。

河中水庫(kù)的工程任務(wù)為：農(nóng)業(yè)灌溉兼顧灌區(qū)人畜飲水。河中水庫(kù)的修建，可將項(xiàng)目區(qū)內(nèi)人畜用水的水源由山箐水調(diào)整為水庫(kù)庫(kù)水，顯著提高人畜用水的保證率，從根本上解決人畜用水水源安全問(wèn)題。

河中水庫(kù)總庫(kù)容370.00萬(wàn)m3，水庫(kù)屬山區(qū)工程，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）、《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）規(guī)定，本工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物大壩、導(dǎo)流輸水隧洞、溢洪道為4級(jí)，次要建筑物輸水管道及其附屬建筑物、管理房、進(jìn)場(chǎng)道路、臨時(shí)建筑物等為5級(jí)。

1 溢洪道軸線布置方案比選

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)合地形條件，溢洪道可布置于河道的左、右兩岸，左、右岸溢洪道方案比選情況如下：

1.1 地質(zhì)條件

左岸軸線地形起伏較大，岸坡由NNE轉(zhuǎn)為NE向，自然坡度27°～30°。溢洪道全線基巖出露，巖性為三疊系中統(tǒng)忙懷組（T2m）片麻巖，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。全風(fēng)化層厚6 m～10 m，呈砂狀或土狀，承載力350 kPa,變形模量40 MPa；強(qiáng)風(fēng)化層厚10 m，建議承載力1.2 MPa；相較左岸，右岸軸線地形起伏更大，軸線0+130處發(fā)育一條小沖溝，長(zhǎng)為200 m，切割深5 m，溝底寬為3 m～5 m。順沖溝發(fā)育f24斷層，走向81°～96°，陡傾角，斷層破碎帶寬0.3 m～1.0 m，由構(gòu)造巖、碎裂巖組成，斷層呈張扭性。綜合比較左岸溢洪道稍優(yōu)。

1.2 工程布置

溢洪道布置在左岸時(shí)，與導(dǎo)流輸水隧洞豎井緊鄰，結(jié)構(gòu)布置緊湊；溢洪道布置在右岸時(shí)，與導(dǎo)流輸水隧洞豎井分別位于壩頂兩側(cè)，功能分區(qū)明確；但地形地質(zhì)條件差，布置須經(jīng)過(guò)沖溝，須兩次轉(zhuǎn)彎，須兩級(jí)消能。綜合比較左岸溢洪道稍優(yōu)。

1.3 施工條件

溢洪道與導(dǎo)流洞均布置在左岸時(shí)，兩者相距較近，易造成施工干擾，但可通過(guò)合理的施工組織設(shè)計(jì)予以避開；溢洪道與導(dǎo)流輸水隧洞分開布置左右兩岸，施工干擾少，且靠近進(jìn)場(chǎng)道路、管理房及施工生產(chǎn)生活區(qū)，交通方便。綜合比較右岸溢洪道稍優(yōu)。

1.4 運(yùn)行管理

水庫(kù)管理所位于壩址上游左岸，左岸溢洪道離水庫(kù)管理所較近（約30 m），有利于日常集中管理；水庫(kù)管理所位于壩址上游左岸，右岸溢洪道離水庫(kù)管理所稍遠(yuǎn)（約270 m），較左岸方案，管理稍顯不便。綜合比較左岸溢洪道稍優(yōu)。

1.5 工程投資

左岸溢洪道方案投資約1858.11萬(wàn)元；右岸溢洪道投資約1910.58萬(wàn)元。綜合比較左岸溢洪道稍優(yōu)。

1.6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件，工程布置，施工條件、運(yùn)行管理及工程投資的綜合比較，左岸溢洪道方案具有工程布置合理，投資低、施工干擾小、運(yùn)行管理方便的優(yōu)點(diǎn)。故本階段將左岸溢洪道作為推薦方案。

2 溢洪道堰型擬定

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）（下文簡(jiǎn)稱《規(guī)范》），控制堰的形式應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件、水力條件、運(yùn)用要求，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較選定。堰型可選用開敞式或帶胸墻的實(shí)用堰、寬頂堰、駝峰堰等型式。本階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形和地質(zhì)條件，初擬實(shí)用堰與寬頂堰進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。根據(jù)調(diào)洪結(jié)果，溢洪道設(shè)計(jì)流量（P=3.3%）為120 m3/s，校核流量（P=0.33%）為184 m3/s，通過(guò)水力計(jì)算，初擬實(shí)用堰堰頂寬25 m，寬頂堰堰頂寬30 m，溢洪道不同堰型比較主要從流量系數(shù)、堰頂寬度、主要工程量、工程投資幾方面進(jìn)行，通過(guò)比較，實(shí)用堰流量系數(shù)大，過(guò)流能力強(qiáng)，水流條件好，且工程量少，投資省，故本階段推薦實(shí)用堰。

3 溢洪道工程布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溢洪道布置在左岸壩肩，軸線與壩軸線成90°夾角，為無(wú)閘控制開敞式側(cè)槽溢洪道，堰型為實(shí)用堰，由側(cè)槽段、調(diào)整段、泄槽1段、泄槽2段、底流消能段、海漫段組成，溢洪道全長(zhǎng)272.07 m。20年一遇消能防沖洪水位（1665.04 m）時(shí)泄流量為107.20 m3/s，30年一遇設(shè)計(jì)洪水位（1665.18 m）時(shí)泄流量為119.81 m3/s，300年一遇校核洪水位（1665.80 m）時(shí)泄流量為183.80 m3/s。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 溢洪道工程布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳情

4 溢洪道水力計(jì)算

4.1 泄流能力計(jì)算

開敞式WES型實(shí)用堰的泄流能力按以下公式計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果如下：

設(shè)計(jì)洪水位1665.18 m時(shí)，Q計(jì)=136 m3/s，Q設(shè)=120 m3/s，Q計(jì)＞Q設(shè)；校核洪水位1665.80 m時(shí)，Q計(jì)=218 m3/s，Q設(shè)=184 m3/s，Q計(jì)＞Q設(shè)；設(shè)計(jì)工況及校核工況均滿足調(diào)洪要求。

4.2 側(cè)槽沿程水面線計(jì)算

側(cè)槽長(zhǎng)度與溢流堰長(zhǎng)度一致為25 m，底寬由4 m漸變?yōu)? m，首端底高程為1657.30 m，末端底高程1657.24 m，槽底縱坡0.0025。側(cè)槽內(nèi)水流為一典型的空間沿程增加的變量非均勻流，沿程水面線按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）附錄A.3.1計(jì)算，公式如下：

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 側(cè)槽內(nèi)各工況下水面曲線

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在校核洪水時(shí)，側(cè)槽首段的水深0.50 m（相對(duì)溢流堰堰頂（堰頂高程同正常蓄水位為1663.30 m）），小于堰上水頭（校核洪水位-堰頂高程1665.80-1663.30=2.5 m）的一半1.25 m，由此看出側(cè)槽斷面設(shè)計(jì)是合理的。

4.3 泄槽水力計(jì)算

溢洪道泄槽，按校核流量工況進(jìn)行計(jì)算，即校核泄量Q=184 m3/s，水面曲線計(jì)算根據(jù)規(guī)范采用分段求和法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，泄流時(shí)的水面曲線并考慮摻氣水深，從而確定邊墻高度。

根據(jù)規(guī)范4.4.2條，泄槽的水面線，應(yīng)根據(jù)能量方程用分段求和法，計(jì)算公式詳見(jiàn)規(guī)范，根據(jù)規(guī)范3.4.5條，泄槽邊墻頂高程，應(yīng)根據(jù)波動(dòng)和摻氣水深后的水面線加0.5 m～1.5 m的超高，則泄槽計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 泄槽校核工況（Q=184 m3/s）水面線計(jì)算表

4.4 底流消能

消力池采用矩形斷面消力池，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）規(guī)定，山區(qū)、丘陵區(qū)水利水電工程的永久性泄水建筑物消能防沖設(shè)計(jì)的洪水標(biāo)準(zhǔn)，可低于泄水建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)，本工程為4級(jí)建筑物，故取洪水重現(xiàn)期20年下泄流量（107 m3/s）作為消能防沖設(shè)計(jì)流量。

4.4.1 共軛水深

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）A.6.2式，漸擴(kuò)式矩形斷面消力池，水平護(hù)坦上水躍共軛水深h2可按下式計(jì)算：

式中：Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)；h1為收縮斷面水深，m；b1為躍前斷面寬度，b1=8.0 m；b2為躍后斷面寬度，b2=10.0 m。

經(jīng)計(jì)算，共軛水深h2=7.62 m。

4.4.2 自由水躍長(zhǎng)度計(jì)算：

根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》（第二版），漸擴(kuò)式矩形槽中的自由水躍長(zhǎng)度可按下式計(jì)算：

式中：b1為躍前斷面寬度，b1=6.0 m；

θ為側(cè)墻擴(kuò)散角（側(cè)墻與池中心線的夾角），θ=2.2026°；

經(jīng)計(jì)算，得出水躍長(zhǎng)度L=36.44 m。

4.4.3 消力池池深、池長(zhǎng)計(jì)算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）A.6.3消力池池深、池長(zhǎng)可按下列公式計(jì)算：

式中：d為池深，m；σ為水躍淹沒(méi)度，可取為1.05；h2為池中發(fā)生臨界水躍時(shí)的躍后水深，h2=7.62 m；ht為消力池出口下游水深，ht=2.27 m；ΔZ為消力池尾部出口水面跌落，m；Q為流量，m3/s；b為消力池躍后斷面寬度，m；φ為消力池出口段流速系數(shù)，可取0.95；L為自由水躍長(zhǎng)度，L=36.44 m。

經(jīng)計(jì)算，消力池長(zhǎng)度為L(zhǎng)k=25.51 m，取26.0 m，池深為4.3 m，消力池的邊墻高度為8.0 m。

5 溢洪道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

5.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

5.1.1 側(cè)槽段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

側(cè)槽段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算工況均為：校核洪水時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況的受力分析，取最危險(xiǎn)斷面為計(jì)算斷面（側(cè)槽段邊墻和底板為分離式結(jié)構(gòu)，分開計(jì)算穩(wěn)定）。運(yùn)用理正巖土系列中擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)算。巖土相關(guān)力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)建議參數(shù)選取。計(jì)算的荷載主要有土壓力、水壓力、結(jié)構(gòu)自重等，計(jì)算時(shí)采用各自最不利組合情況。穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表見(jiàn)表4，側(cè)槽段穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

表5 側(cè)槽段穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，側(cè)槽段結(jié)構(gòu)尺寸滿足要求。

5.1.2 泄槽段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算工況為：校核洪水時(shí)，由于陡槽為10 m分一段，計(jì)算時(shí)只用計(jì)算最危險(xiǎn)的部分，結(jié)合實(shí)際情況的受力分析，最危險(xiǎn)段為：陡槽與消力池相銜接段（邊墻和底板為整體計(jì)算）。

采用《中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)》中計(jì)算方法進(jìn)行校核，取溢0+231.57～溢0+246.07為計(jì)算斷面。

泄槽底板的滑動(dòng)穩(wěn)定可按下式校核：

取底板厚度取1.0 m，進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算成果:抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=0.68，由《規(guī)范》表5.3.9-2設(shè)計(jì)規(guī)范得出0.68＜1.05。陡槽不滿足抗滑要求。

考慮增加砂漿錨桿錨固措施：根據(jù)《規(guī)范》B.2.4錨固地基的有效重計(jì)算：錨固地基的有效重可按下列公式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)選用φ25，間距2.0 m，錨筋錨入巖石深度4.5 m時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=2.93，由《規(guī)范》表5.3.9-2設(shè)計(jì)規(guī)范得出2.93＞1.05。加錨固措施后，陡槽抗滑穩(wěn)定滿足要求。

5.2 底板厚度計(jì)算

5.2.1 泄槽底板厚度計(jì)算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）5.4條文規(guī)定，泄槽底板的厚度，應(yīng)考慮溢洪道的規(guī)模及其與壩體的相對(duì)位置、沿線的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、水利特性、氣候條件、水流中挾沙情況等因素，并根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比確定。采用《中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)》中計(jì)算公式進(jìn)行校核。

經(jīng)計(jì)算最大底板厚度為0.907 m，取為1.0 m。

5.2.2 消力池底板厚度計(jì)算

消力池底板厚度計(jì)算公式采用《中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)》中的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：hc為躍前收縮斷面水深，hc=0.477 m；vc為躍前收縮斷面流速，vc=28.05 m/s；α為陡槽末端射流與水平方向所成的角度，α=29.05°。

經(jīng)計(jì)算消能底板厚度為2.18 m，最終取為2.2 m。

5.3 消力池底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算工況為：校核洪水時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況的受力分析，取消力池整體為計(jì)算斷面（邊墻和底板為整體式結(jié)構(gòu)，整體計(jì)算穩(wěn)定），根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）B.1.2底板的抗浮穩(wěn)定可按下列公式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算,安全系數(shù)Kf=2.32，參照《規(guī)范》5.6消力池護(hù)坦。安全系數(shù)Kf取1.0～1.2校核情況下安全系數(shù)Kf去下限值，滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容為溢洪道的整體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及水力計(jì)算，設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要按各相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)充分考慮工程的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)分析大壩左右岸地形地質(zhì)條件、溢洪道不同堰型比選，最終確定左岸無(wú)閘控制側(cè)槽溢洪道方案為推薦方案。其設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)成果可為類似工程提供參考。