徐曉莉

（湖北承天水利勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 荊門 431900）

泄水建筑物是水利工程建設(shè)過程中的重要組成部分，具有安全排洪、放空水庫的功能，對于水庫、江河、渠道或前池等的運(yùn)行十分重要[1-3]。吳小平[4]針對高虎腦水庫溢洪道存在的險(xiǎn)情，對加固后的溢洪道進(jìn)行水力和結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算；林浩祥[5]結(jié)合碗窯水庫工程實(shí)際，提出泄水建筑物加固施工的要點(diǎn)；唐楊等[6]采用Midas FEA 建立有限元模型，比選最適宜的擋水墻結(jié)構(gòu)形式；王曉琪[7]采用SPC聚合物水泥砂漿方案處理混凝土表面缺陷，并提出2 種方案進(jìn)行比選分析；韋鵬舉[8]分析了朝太溝骨干壩溢洪道設(shè)計(jì)的方法；趙明[2]以遼寧北票冰溝水庫為例，通過方案比選分析了溢洪道拓寬治理措施；馬妍博等[9]以某水庫除險(xiǎn)加固工程為例，對水庫的病害特點(diǎn)進(jìn)行了分析；張力鵬[10]以田家灣水庫除險(xiǎn)加固工程溢洪道陡槽續(xù)建為例，對溢洪道彎道段增加導(dǎo)流墻的優(yōu)勢進(jìn)行總結(jié)。還有部分學(xué)者對泄洪建筑物永久加固方案和溢洪道增設(shè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析[11，12]。

劉家溝水庫是一座以灌溉為主兼有防洪等綜合利用的?。?）型水庫，加固后大壩溢洪道未完建，進(jìn)口段、控制段、泄槽段水毀嚴(yán)重，泄洪不安全直接威脅到水庫的大壩安全及正常運(yùn)行，因此對大壩泄水建筑物進(jìn)行重新加固設(shè)計(jì)十分重要。本文以該工程為例，分析了溢洪道水力、泄槽水面線及邊墻高度計(jì)算方法，并研究了溢洪道消能計(jì)算方案，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

劉家溝水庫位于鐘祥市長灘鎮(zhèn)付巷村，承雨面積2.98 km2，總庫容26.12 萬m3（本次復(fù)核），是一座以灌溉為主兼有防洪等綜合利用的?。?）型水庫。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管等建筑物組成。上游壩坡整坡后新建混凝土護(hù)坡、混凝土腳槽及踏步，壩頂新建防浪墻及混凝土路肩，壩頂鋪設(shè)砂礫石路面，壩體采用劈裂灌漿防滲處理。加固后大壩存在如下問題：大壩壩頂路面坑洼不平，溢洪道未完建，進(jìn)口段、控制段、泄槽段水毀嚴(yán)重，泄洪不安全；輸水管進(jìn)口為斜臥管，放水采用人工啟閉，出口消力池邊墻有裂縫；大壩安全監(jiān)測設(shè)施不完善，無表面變形及視頻監(jiān)測設(shè)施。這些問題直接威脅到水庫的大壩安全及正常運(yùn)行，急需整險(xiǎn)加固。

2 泄水建筑物加固設(shè)計(jì)

2.1 溢洪道加固方案分析

溢洪道位于大壩右端，型式為寬頂堰，進(jìn)口底高程98.80 m，進(jìn)口寬12.2 m，由進(jìn)口段、控制段、泄槽段組成。針對溢洪道目前的運(yùn)行狀況及存在的問題，進(jìn)行如下加固設(shè)計(jì)。

（1）樁號0+000—0+004 段為進(jìn)口段，進(jìn)口底寬16.75 m，底板采用C25 鋼筋混凝土襯砌，邊墻采用C20 混凝土擋土墻。

（2）樁號0+030—0+034 段為控制段，新建機(jī)耕橋，寬13.42 m，長5 m 底板采用C25 鋼筋混凝土襯砌，邊墻采用C30 鋼筋混凝土襯砌。

（3）樁號0+009—0+026 為泄槽段，坡比1∶4，長17 m，設(shè)計(jì)底寬11.71 m，底板厚30 cm采用C25鋼筋混凝土襯砌，邊墻采用C20混凝土擋土墻。

（4）樁號0+026—0+039.8為消力池段，長13.80 m，設(shè)計(jì)底寬10 m，底板厚40 cm 采用C25 鋼筋混凝土襯砌，底板下設(shè)三級反濾，邊墻采用C20 混凝土擋土墻。

（5）樁號0+039.8—0+044.8為海漫段，長5 m，設(shè)計(jì)底寬10 m，底板采用干砌塊石襯砌。

（6）樁號0+044.8—0+119段，開展清障及疏挖。

2.2 溢洪道水利計(jì)算

2.2.1 溢洪道泄流能力復(fù)核

溢洪道屬5 級建筑物，防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a 一遇洪水設(shè)計(jì)、50 a一遇洪水校核，消能防沖按10 a一遇洪水設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)對溢洪道加固后進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算。溢洪道為寬頂堰式，矩形斷面，本次采用寬頂堰計(jì)算結(jié)果。泄流能力按下式計(jì)算：

式中：Q為流量（m3∕s）；σs為淹沒系數(shù)，自由出流時取1；ε1為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)，取0.376；H0為堰上水頭（m）；b為溢洪道寬度（m），進(jìn)口寬13.42 m（凈寬12.8 m）；g為重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2。

水位泄量關(guān)系，詳見表1。

表1 水位泄量關(guān)系

由表1 可知，溢洪道的泄流能力能滿足各洪水標(biāo)準(zhǔn)下所需的泄量。

2.2.2 溢洪道泄槽水面線及邊墻高度計(jì)算

（1）泄槽起點(diǎn)臨界水深hk的計(jì)算公式如下：

式中：hk為寬頂堰與泄槽相交斷面臨界水深（m）；Q為溢洪道過流量（m3∕s），取63.93 m3∕s；B為相交斷面處凈寬（m），取12.8 m；g為重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2。

經(jīng)計(jì)算，得臨界水深hk=1.229 m。

（2）根據(jù)能量方程，按分段求和法計(jì)算泄槽內(nèi)水深，繪制泄槽水面線，其計(jì)算公式如下：

式中：ΔL1-2為分段長度（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）；α1、α2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；-J為分段內(nèi)平均摩阻坡降；g為重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2。

（3）摻氣水深計(jì)算公式如下：

式中：h、hb為泄槽計(jì)算斷面的水深及摻氣后的水深（m）；v為不摻氣情況下泄槽計(jì)算斷面的流速（m∕s）；ξ為修正系數(shù)，可取1.0～1.4，流速大者取大值。

泄槽段邊墻高度，根據(jù)摻氣后的水面線再加上0.5～1.5 m的超高確定。泄槽沿程水深，詳見表2。

表2 泄槽沿程水深

2.2.3 邊墻穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

樁號0+009 斷面墻高2.1 m、頂寬0.4 m，底板總寬度13.42 m。荷載組合采用墻前無水，墻后排水不暢的情況。按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Kc為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為邊墻混凝土與基巖接觸面的抗剪摩擦系數(shù)，取0.3；ΣW為作用于邊墻上的全部荷載對計(jì)算滑動面的法向分量（kN）；ΣP為作用于邊墻上的全部荷載對計(jì)算滑動面的切向分量（kN）。

抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣMy為作用于墻體的荷載對墻前趾產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩（kN·m）；ΣM0為作用于墻體的荷載對墻前趾產(chǎn)生的傾覆力矩（kN·m）。

邊墻基底應(yīng)力的最大值或最小值按下式計(jì)算：

邊墻（導(dǎo)墻）穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算成果，詳見表3。

表3 邊墻穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算成果

由表3可知，泄槽邊墻的抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范要求；基底應(yīng)力均小于地基允許承載力，基底未產(chǎn)生拉應(yīng)力，故上述各邊墻基底應(yīng)力均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.2.4 溢洪道消能計(jì)算

等寬矩形斷面下挖式消力池池深、池長按下列公式計(jì)算：

式中：d為池深（m）；σ為水躍淹沒度，取1.05；h2為池中發(fā)生臨界水躍時的躍后水深（m）；ht為消力池出口下游水深（m）；ΔZ為消力池尾部出口水面跌落（m）；φ為消力池出口段流速系數(shù)，可取0.95；L為自由水躍的長度（m）；g為重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2；Lk為消力池長度（m）；q為流量（m3∕s）。

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（Sl252-2017），山區(qū)、丘陵區(qū)水利水電工程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)。該水庫溢洪道為5 級建筑物，消力池洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a洪水重現(xiàn)期。根據(jù)防洪復(fù)核結(jié)果，洪水頻率10%對應(yīng)的下泄量為43.88 m3∕s。

經(jīng)計(jì)算，本次加固設(shè)計(jì)消力池深0.5 m、長13.8 m、底高程94.55 m、寬10 m。

2.2.5 消力池護(hù)坦抗浮計(jì)算

消力池護(hù)坦抗浮采用下式計(jì)算：

式中：Kf為護(hù)坦穩(wěn)定系數(shù)；P1為護(hù)坦自重（kN），按混凝土厚度計(jì)算；P2為護(hù)坦頂面上的時均壓力（kN）；P3為采用錨固措施時地基的有效重量（kN）；Q1為護(hù)坦頂面上的脈動壓力（kN）；Q2為護(hù)坦底面上的揚(yáng)壓力（kN）。

經(jīng)計(jì)算，得Kf=1.85＞1.2，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3 結(jié)語

本文以劉家溝水庫工程為例，分析了溢洪道水力、泄槽水面線及邊墻高度計(jì)算方法，并研究了溢洪道消能計(jì)算方案。研究成果表明，溢洪道的泄流能力能滿足各洪水標(biāo)準(zhǔn)下所需的泄量，同時泄槽邊墻的抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，基底應(yīng)力均小于地基允許承載力，基底未產(chǎn)生拉應(yīng)力，滿足相關(guān)規(guī)范要求。經(jīng)計(jì)算，本次加固設(shè)計(jì)消力池深0.5 m、長13.8 m、底高程94.55 m、寬10 m。經(jīng)消力池護(hù)坦抗浮計(jì)算，得Kf=1.85＞1.2，滿足相關(guān)規(guī)范要求。