元江縣陸家店水庫溢洪道設計

云南省玉溪市元江縣水利水電勘測設計院 云南省玉溪市元江縣 653300

摘要：溢洪道的設計和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關系到整個工程造價。一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價的25～30%及勞動力的25%，故溢洪道合理的布局、選型和數據計算，在水庫工程設計中是一個比較重要的環節。

關鍵詞：溢洪道；設計

1.工程概況

陸家店水庫位于云南省玉溪市元江縣咪哩鄉甘岔村委會陸家店村，水庫所在河流為紅河流域元江右岸一級支流清水河。水庫壩型為粘土心墻壩，壩高55.3m，總庫容147.8萬m3。工程規模為小（一）型。

2工程布置及建筑物

2.1溢洪道設計

根據地形和地質資料把溢洪道布置于右岸。采用可研推薦的軸線。溢洪道基礎置于弱風化泥巖、粉砂質泥巖之上，工程地質條件相對較好。對可研推薦方案進行比較優化。

挑流段所處的岸坡陡峭，限制了挑流段的布置空間。研究比較鼻坎在不同里程采用不同挑射角的情況，鼻坎里程為0+241.500、挑射角20 °時水流能最好的挑入河床中心。

2.1.1溢洪道布置

溢洪道為岸坡開敞式。溢洪道布置于大壩右岸。全長242m，寬度為4～2.5～1.5m，高度為2.02～2.32～1.4～2.003～1.4m，進口底板高程為1969.98m，出口底板高程為1902.561m。堰頂高程為1969.98m。溢洪道由進水渠段）、控制段、泄槽段、挑流消能段組成。溢洪道的斷面型式均為矩形斷面，采用鋼筋混凝土結構。

2.1.2水力學計算

溢洪道為開敞式自由溢流，設計下泄流量為4.07m3/s（P=3.33%）；校核下泄流量為7.01m3/s（P=0.33%），消能防沖設計流量3.62m3/s（P=5%）。

1.溢洪道進口水力計算

溢洪道為敞開式，進口底板高程為1969.98m。過流能力按無坎寬頂堰堰流公式進行計算，計算公式為：

式中：σs——為淹沒系數；

ε1——為側收縮系數；

m——為流量系數；

堰的寬度經過計算比較確定為2.5m。

經計算進口尺寸滿足要求。

2.溢洪道泄槽段的水面線推算

泄槽段底坡均為陡坡，采用分段求和法計算泄槽段水面線。按下式計算：

△Ll-2=[h2cosθ+（α2v22/2g）]-[h1cosθ+（α1v12/2g）]/（i-J）

J=n2v2/R4/3

式中：△Ll-2——分段長度，m；

h1、h2——分段始、末斷面水深，m；

v1、v2 ——分段始、末斷面平均流速，m/s；

α1、α2——流速分布不均勻系數；

θ——泄槽底坡角度，o；

i——泄槽底坡；

J—— 分段內平均摩阻坡降；

n——泄槽槽身糙率系數；

v——分段平均流速，m/s；

R——分段平均水力半徑，m。

其中摻氣水深按下式計算：

式中：hb——摻氣后水深，m；

h——計算水深，m；

v——不摻氣情況下計算斷面流速，m/s；

ζ——修正系數。

經計算當Q=7.01m3/s時，起始斷面（寬2.5m）臨界水深hk=0.944m，根據hk推算出泄槽段水深及邊墻高度，計算結果見下表。

水平里程（km+m）計算水深（m）流速（m/s）摻氣后水深

（m）計算邊墻高

（m）

0+020.0000.9442.9700.9721.47

0+040.0000.40511.5390.4520.95

0+65.2770.37012.6310.4170.92

0+076.3280.33613.9090.3830.88

0+080.1220.36012.9810.4070.91

0+103.5420.5009.3470.5471.05

0+131.2740.6507.1900.6971.20

0+172.0450.8125.7550.8591.36

0+185.000.32214.5130.3690.87

0+189.7000.30015.5780.3470.85

0+198.2920.28016.6900.3270.83

0+231.4060.26417.6710.3110.81

3.消能防沖計算

采用挑流消能。底流消能的洪水標準為20年一遇，對應的下泄流量Q=3.62m3/s。

挑距計算公式為：

L=1/g（v12sinθcosθ+ v1cosθ（v12sin2θ+2g（h1cosθ+ h2）1/2）

式中：L——挑流鼻坎末端至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；

θ——挑流水舌水面出射角，近似取鼻坎挑角，（°）；

h1 ——挑流鼻坎末端法向水深，m；

h1 ——鼻坎頂至下游河床的高程差；

v1——鼻坎坎頂水面流速，m/s。

經過計算L=8.08m。

最大水墊深度計算公式為：

T=kq1/2Z1/4

式中：T——自下游水面至坑底最大水墊深度，m；

q——鼻坎末端斷面單寬流量，m3/（s.m）；

Z——上、下游水位差，m；

K——綜合系數。

經過計算T=2.75m。

2.1.3穩定計算

1.控制段抗滑穩定及基底應力計算

控制段基底面的抗滑穩定安全系數計算公式如下：

式中：K——按抗剪斷確定計算的抗滑穩定安全系數；

∑W——全部荷載對計算滑動面的法向分量，kN；

∑P——全部荷載對計算滑動面的切向分量，kN；

f′——抗剪斷摩擦系數；

C′——抗剪斷黏聚力，Kpa。

控制段基底應力計算公式如下：

式中——堰體基底應力的最大值或最小值（kPa）；

∑G——作用在堰體上的全部豎向荷載，kN；

∑M——作用在堰體上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；

W——堰體基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m4。

計算成果見下表。

序號荷載組合計算情況基底應力（kPa）抗滑穩定

PmaxPmin地基允許

承載力φC（Kpa）計算值規范

允許值

1基本

組合完建情況30.430.41502018——

2 設計洪水位34.6134.031502018183.073

3特殊

組合校核洪水位52.5219.721502018129.432.5

4 地震情況71.510.72150201824.722.3

通過以上計算成果可得控制段設計滿足規范要求。

2.泄槽段穩定復核

溢洪道泄槽段整體抗滑穩定采用抗剪強度公式進行計算。分別對底坡不同的泄槽進行穩定復核，按校核洪水時最不利的情況進行計算。

計算公式如下：

式中：Kc——按抗剪強度計算的抗滑穩定安全系數；

——底板混凝土與基巖之間的摩擦系數；

——作用于接觸面上的全部荷載對計算滑動面的法向分力；

——作用于接觸面上的全部荷載對計算滑動面的切向分力；

τ——水的流動拖力；

γ——水的容重；

A——泄槽底板面積；

R——水力半徑；

b——為水面寬度；

h——為計算斷面水深；

J——水能坡降；

——流速系數；

H——為上下游水位差；

L——計算泄槽段長度。

經過計算泄槽第1、2、3段當下泄校核洪水流量時：Kc分別為3.27、17.51、3.21，該條件下滿足抗滑穩定要求。

2.1.4結構計算

采用有限元法。計算成果見下表

里程計算工況位置軸向力（KN）剪力（KN）彎矩（KN.m）

0+014完建側墻桿底端20.20-45.9837.77

完建底板桿端45.9820.2047.53

完建底板桿中45.9803.60

0+215完建側墻桿底端14.00-36.2516.52

完建底板桿端36.2514.0020.95

完建底板桿中36.2501.00

溢洪道計算配筋為Φ14@200的雙層二級鋼筋。

3結束語

復核采用可研推薦的軸線，比較選定了挑流鼻坎的里程和挑射角；比較陡槽的抗滑穩定的主要措施采用錨筋抗滑，減少底板厚度0.1m、邊墻厚度0.1m、齒墻深度0.8m，降低施工難度，減少造價27.46萬元。溢洪道陡槽段比較陡時通過加厚邊墻對陡槽的抗滑穩定幫助不大，其厚度只要滿足橫向結構計算要求即可，而在合適的地質條件下采用錨筋抗滑的措施最經濟。