陳群藝

（福建省漳州市萬澤水利設(shè)計(jì)咨詢有限公司,福建 漳州 363000）

溢洪道為水庫的泄水建筑物,當(dāng)水庫水位超過正常蓄水位時(shí),洪水從溢洪道向下游宣泄,防止庫水漫頂,危及大壩安全。溢洪道主要由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、消能防沖設(shè)施及出水渠等建筑物組成,泄槽段緊接控制段,是溢洪道坡降的集中段,多為陡坡型式,水流特征一般為急流。工程設(shè)計(jì)中需對(duì)泄槽過流能力及邊墻高度等進(jìn)行計(jì)算,獲取各工況下泄槽過流能力、水深、流速等參數(shù),對(duì)泄槽安全性、水流是否平穩(wěn)進(jìn)行評(píng)價(jià),并以此驗(yàn)證是否滿足規(guī)范要求,同時(shí)為下游消能計(jì)算提供依據(jù)。

1 計(jì)算方法

1.1 分段求和法

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中,溢洪道泄槽段水面線計(jì)算方法多采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的“分段求和法”進(jìn)行計(jì)算,具體公式如下：

式中：Δ l1-2為分段長(zhǎng)度,m；h1,h2為分段始,末斷面水深,m；v1,v2為分段始,末斷面平均流速,m/s；σ1,σ2為流速分布不均勻系數(shù),取1.05 ；θ為泄槽底坡角度,（°） ；i為泄槽底坡,i=tgθ；J為分段內(nèi)平均摩阻坡降；n為泄槽槽身糙率系數(shù),取0.025；v為分段平均流速,v=（v1+v2）/2,m/s；R為分段平均水力半徑, R=（R1+R2）/2,m。

1.2 收縮影響判定

收縮影響判定方法采用《無閘控制溢洪道水力設(shè)計(jì)》[1]中的“第二節(jié) 渠式控制段,三、 變寬斜坡明槽的進(jìn)口形式”章節(jié),具體計(jì)算公式如下：

式中：Ek1, Ek2為進(jìn),出口斷面的臨界比能,m；hk1,hk2為進(jìn),出口斷面的臨界水深,m；hw為水頭損失,m；if為平均臨界底坡,（ik1+ik2）/2；ik1,ik2為進(jìn),出口斷面的臨界底坡；i為渠道底坡；L為收縮段長(zhǎng)度,m。

當(dāng)ΔZ ＞ΔZk時(shí)產(chǎn)生堰流銜接,縮窄口不影響過流能力；當(dāng)ΔZ＜ΔZk時(shí)產(chǎn)生明渠銜接,縮窄口影響過流能力。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

梁山水庫位于漳浦縣盤陀鎮(zhèn)劉埔村,所在河流為盤陀溪,盤陀溪為鹿溪支流一條支流。盤陀溪全流域面積129 km3,河長(zhǎng)19 km,河道平均坡降17.8‰。梁山水庫是一座具有以灌溉為主,兼顧供水、發(fā)電、防洪等綜合利用的中型水庫。水庫總庫容1076 萬m3,工程等級(jí)為Ⅲ等工程,工程規(guī)模為中型,主要永久性建筑物級(jí)別為3 級(jí)建筑物,次要建筑物級(jí)別為4 級(jí)。洪水標(biāo)準(zhǔn)50 年一遇設(shè)計(jì),1000 年一遇校核。

水庫溢洪道位于大壩右側(cè),控制段為開敞式寬頂堰,堰頂高程299.63 m,堰頂凈寬28.6 m,現(xiàn)狀溢洪道堰頂段長(zhǎng)9.40 m,后接三個(gè)陡坡段,第一陡坡段長(zhǎng)55.4 m,坡比1/33,泄槽寬度由28.6 m縮為13.0 m；第二陡坡段長(zhǎng)14.9 m,坡比1/6.25,泄槽寬度由13.0 m縮為10.0 m；第三陡坡段長(zhǎng)10 m,坡比1/9.09,泄槽寬度為10.0 m。溢洪道末端未設(shè)消力池,水流直接泄入天然河床,溢洪道末端的河床為整片花崗巖,巖盤堅(jiān)硬完整,抗沖刷性能好。

溢洪道主要問題有：溢洪道泄槽段側(cè)墻、底板除砌石勾縫局部有脫落,溢洪道的泄槽左側(cè)墻在高水位泄洪時(shí)會(huì)產(chǎn)生震動(dòng),分析產(chǎn)生震動(dòng)的原因是由側(cè)槽斷面收縮過大,當(dāng)高水位運(yùn)行時(shí),水流流速大,而產(chǎn)生沖擊波,造成左側(cè)墻運(yùn)行中產(chǎn)生震動(dòng)。

2.2 計(jì)算參數(shù)

溢洪道現(xiàn)狀平面圖見圖1, 溢洪道泄槽斷面數(shù)據(jù)見表1,水庫特征水位見表2。

圖1 溢洪道現(xiàn)狀平面布置圖

表1 溢洪道泄槽斷面數(shù)據(jù)

表2 水庫特征水位表

2.3 現(xiàn)狀水面線計(jì)算

采用“分段求和法”計(jì)算時(shí),起始斷面的位置確定,對(duì)計(jì)算成果的準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用,實(shí)際計(jì)算過程中應(yīng)綜合考慮上游銜接方式、泄槽是否受收縮影響、底坡等因素。本例現(xiàn)狀泄槽段第一陡坡段收縮角較大,經(jīng)復(fù)核控制斷面在縮窄口位置,計(jì)算時(shí)應(yīng)采用縮窄口作為計(jì)算起始斷面,計(jì)算過程中如忽略對(duì)收縮影響進(jìn)行判斷,直接采用進(jìn)口斷面作為起始斷面計(jì)算,則方程無解,易將精力錯(cuò)誤地用于方程求解,而降低工作效率,又無法解決問題[2]。

計(jì)算洪水標(biāo)準(zhǔn)采用1000 年一遇校核洪水位303.0 m,相應(yīng)下泄流量284.69 m3/s。

2.3.1 收縮影響判斷

收縮影響計(jì)算成果見表3。

表3 穩(wěn)定計(jì)算工況表

表3 收縮影響計(jì)算成果表

從計(jì)算成果可以看出,樁號(hào)0+044.4 以上斷面ΔZ ＜ΔZk,均受收縮影響,造成壅水,控制斷面樁號(hào)為0+044.4,因此水面線計(jì)算起始斷面應(yīng)取0+044.4。

2.3.2 計(jì)算成果

計(jì)算起始斷面為樁號(hào)0+044.4,起始水深可近似取該斷面臨界水深,分別采用“分段求和法”往上,下游分別推算水面線。結(jié)果見表4。

表4 水面線計(jì)算成果表

從計(jì)算成果可知,泄槽過流能力不滿足要求,受收縮斷面影響,對(duì)上游形成頂托,壅高庫水位,危及大壩安全,現(xiàn)有邊墻高度不夠,不滿足溢洪道泄洪安全。

2.4 加固措施

針對(duì)工程存在問題及水面線復(fù)核成果,溢洪道除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)擬對(duì)陡坡段兩側(cè)側(cè)墻進(jìn)行拆除并拓寬重建,溢洪道第一陡坡段末端拓寬至20 m,第一陡坡段兩側(cè)側(cè)墻均與控制段側(cè)墻平順銜接,減少收縮角,平順?biāo)?底板坡比仍為1/33,側(cè)墻高度3.67 m下降至2.70 m,側(cè)墻采用M7.5 漿砌條石重力式擋墻,底板拓寬部分采用M7.5 漿砌條石護(hù)砌,底板厚度0.6 m；第二陡坡段末端拓寬至17.73 m,兩側(cè)側(cè)墻均與第一陡坡段末側(cè)墻平順銜接,底板坡比仍為1/6.25,側(cè)墻高度2.70 m下降至2.30 m側(cè)墻采用M7.5 漿砌條石重力式擋墻,底板拓寬部分采用M7.5 漿砌條石護(hù)砌,底板厚度0.6 m；第三陡坡段末端拓寬至16.0 m,兩側(cè)側(cè)墻均與第二陡坡段末側(cè)墻平順銜接,底板坡比仍為1/9.09,側(cè)墻高度為2.30 m,側(cè)墻采用M7.5 漿砌條石重力式擋墻,底板拓寬部分采用M7.5 漿砌條石護(hù)砌,底板厚度0.6 m；溢洪道末端的河床為整片花崗巖,巖盤堅(jiān)硬完整,抗沖刷性能好,水流直接泄入天然河床。溢洪道加固后平面布置圖見圖2。

圖2 溢洪道加固后平面布置圖

2.5 加固后水面線復(fù)核

加固后水面線復(fù)核見表5、表6。

表5 收縮影響計(jì)算成果表

表6 加固后泄槽水面線復(fù)核成果

從計(jì)算成果可知,溢洪道泄槽拓寬后不再受斷面收縮影響,達(dá)到消除原泄槽壅水危害的目的,設(shè)計(jì)側(cè)墻高度均高于計(jì)算墻高,確保洪水下泄安全,溢洪道加固設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。目前該項(xiàng)目溢洪道加固已實(shí)施完成[3]。

3 結(jié)語

溢洪道泄槽作為溢洪道重要組成部分,其設(shè)計(jì)是否合理對(duì)溢洪道過流及泄洪安全有著直接影響。隨著近幾年國家對(duì)水利事業(yè)的重視,作為水工設(shè)計(jì)人員將越來越頻繁地接觸到溢洪道設(shè)計(jì)及復(fù)核方面內(nèi)容。本文通過實(shí)例計(jì)算過程及對(duì)成果反映的問題采用的相應(yīng)工程措施進(jìn)行闡述,希望能為從事水工設(shè)計(jì)人員在溢洪道水面線計(jì)算方面提供一些參考。