山西省和順縣戀思水庫溢洪道工程選址及設計

劉黎明

(山西省晉中市水利建筑工程總公司，山西晉中 030600)

1 工程概況

戀思水庫工程是以工業和城市生活供水為主，同時兼顧灌溉與防洪等綜合利用的中型水庫。

工程分樞紐工程和供水工程兩大部分。樞紐工程主要由大壩、溢洪道和泄洪隧洞三大件組成，設計壩型為均質土壩，壩高30．3 m，庫容1 600 萬 m3，為中型水庫。

2 方案比選

可研階段對溢洪道的布置進行了左、右岸分別布置方案的比選，最后確定溢洪道布置在大壩左岸。水利廳對《可研報告》的審查意見為“溢洪道位于大壩右岸，為開敞式溢洪道，全長290．5 m，最大泄量299．52 m3/s，采用梯形斷面，底板及側墻均采用混凝土襯砌，出口采用挑流消能，溢洪道開挖量大，下階段進一步比較側槽式方案，根據運用要求，合理確定堰頂高程，優化溢洪道布置”。

根據《可研報告》審查意見，本階段對溢洪道規模進行了復核，經復核仍維持原工程規模。本次設計對左、右岸方案又進行了進一步的比選，并增加了側槽式方案的比選。

2．1 左、右岸方案比選

左、右岸的地形、地質條件均適宜修建溢洪道。

根據地質報告，左岸布置為土基溢洪道，需全斷面襯砌，而且和順縣氣溫較低，溢洪道襯砌需進行防凍設計。

經過比較，左岸溢洪道軸線全長460 m，比右岸溢洪道長170 m，而且彎道段較長，水力條件較右岸差;出口水流如果順直，流向主河槽，溢洪道軸線將更長;左岸溢洪道將會增加改線公路的長度;左岸溢洪道工程直接投資比右岸溢洪道多130萬元。綜合考慮地形、地質和投資，確定溢洪道布置方案為右岸開敞式溢洪道。

2．2 側堰溢洪道方案

根據水利廳對可研報告的審查意見，初設階段需進一步比較側槽式方案。

根據水力計算，側堰溢洪道進口堰頂高程為1 349 m。從地形圖上布置側堰溢洪道來看:如果側堰進口堰高為現狀基巖，則與泄洪洞進口布置相互影響;如果側堰部分堰高采用人工砌筑，進口布置向下游偏移，則側堰進口離大壩壩腳太近，影響大壩安全。經過綜合分析比較，側堰溢洪道對該工程不適合。

3 溢洪道布置

溢洪道布置在泄洪洞與右壩頭之間，中心軸線距右壩頭16 m，梯形斷面，邊坡為1∶0．5。主要由引渠段、緩坡段、泄槽段、挑流段和尾水渠組成，底寬12 m，全長412 m，溢洪道布置有兩個彎道段，基礎均坐落在新鮮基巖上。溢洪道相應水庫設計洪水位(p=2%)1 352 m和校核洪水位(p=0．1%)1 354．1 m的泄量分別為123．6 m3/s和 300 m3/s。

3．1 水力計算

根據興利調節計算，多年調節正常水位為1 349 m(相應庫容947萬m3)，將其作為溢洪道的進口底高程，亦即溢洪道進口底板高程為1 349 m。

3．1．1 溢洪道水面線推求

校核洪水位時，溢洪道最大泄量為300 m3/s。

首先，計算陡坡起點處臨界水深hk，計算公式:

其中，α為動能修正系數，取α=1;WK為斷面面積，WK=(12+0．5hk)hk;Bk為水面寬度，Bk=12+0．5hk;Q為溢洪道最大泄量，Q=300 m3/s。

然后以陡坡起點高程為基準面，求其他斷面水深，基本能量方程為:

其中，Ek為陡坡起點處斷面能量，m;Hi為所求斷面底板至陡坡起點處的高差，m;hi為所求斷面水深，m;Vi為所求斷面流速，m/s;hwi為所求斷面至陡坡起點處斷面之間的能量損失，所求斷面位于陡坡起點處，斷面下游時為正值，上游時為負值。

經計算，各斷面主要成果見表1。

表1 水面線計算成果表

3．1．2 消能計算

溢洪道采用挑流消能方式。

1)校核洪水位情況。

a．尾水位計算。

尾水渠為梯形斷面，底寬20 m，根據均勻流計算公式，求出尾水渠的水深為2．5 m。

b．反弧半徑R及挑射角。

根據經驗，反弧半徑R按下式進行計算:

其中，hc為鼻坎面上收縮水深，可按下式進行計算:

經計算，hc=0．92，則反弧半徑 R=(3．68 ～9．2)m，根據實際情況，取反弧半徑為10．94 m。采用挑射角θ=37°。

c．挑流射程計算。

計算水舌內線和外線的流速系數值:

取 φ2=1．16φ1=1．16 ×0．8=0．93。

則沖刷坑最深點到建筑物基礎的距離為:

經計算，內線射程為36 m，外線射程為48 m。

d．沖刷深度。

用經驗公式計算可能的沖刷深度:

則 i=t/Lt=0．24 ＜0．25(安全后坡)，能滿足要求。

2)設計洪水位。

采用上述方法計算，計算結果為:挑流外線射程為33．42 m，沖坑深度為7．354 m，安全后坡為i=0．148。

為了進一步優化設計，建議下階段做溢洪道水工模型試驗。

3．2 溢洪道結構設計

溢洪道為河岸開敞式，不設閘門。經布置，溢洪道全長412 m，其各部位結構尺寸簡述如下:

1)引渠段。

0+000 m～0+040 m段為溢洪道引渠段，根據地形和水流條件，進口為喇叭口，底高程為1 349m，底寬12 m，兩側邊坡1∶0．4;根據地形該段設彎道，軸線半徑為160 m，開挖斷面采用C20混凝土噴漿處理，噴漿混凝土厚10 cm，設φ6的鋼筋網和φ18的錨筋與基巖連接，鋼筋網間距25 cm×25 cm，錨筋長1 m，間距1 m×1 m，呈梅花形布置。

2)緩坡段。

0+040 m～0+222 m為緩坡段，長182 m，其中0+108 m～0+218 m為彎道段，軸線半徑為130 m。底縱坡1/1 000，梯形斷面，底寬12 m，兩側邊坡為1∶0．4，底板襯砌0．4 m厚的C25混凝土，側墻襯砌0．3 m厚的C25混凝土，側墻內側設一寬度為1．0 m的平臺，平臺內側設排水溝。底板高程由1 349m降至1 348．82m，側墻頂高程由1 354．40 m降至1 353．82 m。底板及側墻底部均設Φ25的錨筋，錨筋間距為2 m×2 m，埋深1．5 m，呈梅花形布置。左側墻襯砌以上開挖基巖斷面采用C20混凝土噴漿處理，噴漿混凝土厚10 cm，設φ6的鋼筋網和φ18的錨筋與基巖連接，鋼筋網間距25 cm×25 cm，錨筋長1 m，間距1 m×1 m，呈梅花形布置。

3)泄槽段。

0+222m～0+277．5m為泄槽段，底縱坡1/3，水平投影長度55．5 m，其中:0+222 m～0+262 m為梯形斷面，底寬12 m，兩側邊坡為 1∶0．4，0+262m ～0+277．5 m 段為漸變段，斷面由梯形漸變為矩形。陡坡段側墻首端頂高程1 353．82 m，末端頂高程1 332．92 m，側墻內側設一寬度為1．0 m的平臺，平臺內側設排水溝。該段采用C30混凝土襯砌，底板襯砌厚0．4m，側墻厚0．3m。按構造配筋，底板及側墻均設置Φ25的錨筋，間距為1．5 m×1．5 m，埋深2 m，呈梅花形布置。

4)挑流段。

0+277．5 m～0+284．5 m為挑流消能段，矩形斷面，底寬12 m。底板及側墻均采用C30混凝土襯砌，挑流消能采用連續重力式鼻坎，鼻坎寬12 m，反弧半徑10．94 m，挑射角37°，鼻坎頂高程1 330．32 m，鼻坎頂部設鋼板護角，側墻襯砌設Φ25錨筋，錨筋間距1．5 m×1．5 m，埋深2m，底板及齒墻設Φ25錨筋，錨筋間距1 m×1 m，埋深4 m，呈梅花形布置。

另外不滿足側墻高度要求的部分，采用M7．5漿砌石砌筑。漿砌石迎水面采用C30混凝土襯砌，厚0．3 m。

5)尾水渠段。

根據水力計算，尾水渠底寬20 m，從樁號0+284．5 m到0+315 m底寬由12 m擴散到20 m，其中0+284．5后做20 m的C20混凝土護坦，尾水渠段從樁號0+325m到0+365m段設彎道，彎道半徑為100 m。尾水渠段除護坦底板外其余斷面均采用C20混凝土噴漿處理，噴漿混凝土厚10 cm，設φ6的鋼筋網和φ18的錨筋與基巖連接，鋼筋網間距25 cm×25 cm，錨筋長1m，間距1m×1 m，呈梅花形布置。

6)地基與邊坡處理、排水系統設計。

由于整個溢洪道坐落在基巖上，溢洪道最大開挖高度約40 m，開挖坡度覆蓋層 1∶1、強風化基巖 1∶0．75、弱風化基巖 1∶0．4。沿邊坡高度方向每10 m左右設一條2 m寬平臺，并在平臺上設30 cm×30 cm(深×寬)的排水溝，排水溝形式為矩形槽，坡度根據地形分別為向上、下游，將水流排入上下游河道即可。整個噴漿邊坡設排水孔，與排水溝形成排水系統，排水孔徑100mm，間距2 m，梅花形布置，最下一排泄水孔高于溢洪道邊墻1 m。

溢洪道底板上共設置25道橫縫和2道縱縫;縱橫縫均采用652型橡膠止水，底板縱橫縫下部均設有相互連通的縱橫向排水溝，排水溝內設置φ200的無砂混凝土管，由縱向排水通過挑流鼻坎排至下游河道。

4 吉祥溝洪水

吉祥溝控制流域面積約2．8 km2，為土石山區，p=2%的洪峰流量 12．2 m3/s，洪量為 26 萬 m3。

吉祥溝出口與溢洪道和泄洪洞尾水渠相交，為了避免吉祥溝洪水對建筑物造成威脅，此次設計在泄洪洞右側修建漿砌石攔洪堤，將吉祥溝洪水攔入泄洪洞尾水渠下游，通過泄洪洞尾水渠將吉祥溝洪水送入下游河道。

5 結語

1)經過綜合分析比較，側堰溢洪道對該工程不適合。2)綜合考慮地形、地質以及投資，最終確定溢洪道布置方案為右岸開敞式溢洪道。