土門子水庫泄水設施加固方案設計

王博文

(遼寧潤中供水有限責任公司,遼寧 沈陽 110166)

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土門子水庫泄水設施加固方案設計

王博文

(遼寧潤中供水有限責任公司,遼寧 沈陽 110166)

針對遼寧省土門子水庫溢洪道存在的問題，提出了具體的加固方案，確定了拓寬溢洪道、重建溢流堰、增設消能設施的具體加固措施。工程完工后的良好運行效果驗證了加固方案的正確性與合理性。

土門子水庫；溢洪道；加固方案

1　土門子水庫基本情況

1.1水庫概況

土門子水庫位于遼寧省鳳城市境內大洋河支流牛河中游，建于1978年。水庫控制流域面積276.3km2，設計庫容1.86億m3，平均水深15.5m。土門子水庫的主壩為漿砌石重力壩，壩長319.2m，最大壩高36.6m。副壩為黏土斜墻壩，壩長32m，壩高8m。水庫的主要功能為防洪和灌溉，水庫的防洪保護面積為0.87 萬hm2，可以有效保護壩址下游5個鄉鎮，近11萬人的安全。土門子水庫設計灌溉面積為1.44 萬hm2，養魚水面0.09 萬hm2，為當地的工農業生產及社會穩定做出了積極貢獻。

1.2水文地質特征

土門子水庫流域形狀呈扇形，地勢西北高東南低，流域內海拔高度在157～370m之間，相對高差約200m，其中壩址處地面標高185m。該流域多年平均降雨量854.6mm，降雨的年際、年內變化較大，最大年降雨量為1514.5mm，最小年降雨量為561.2mm。年內降雨集中于6—9月份，特別是7月、8月兩月的降雨量約占全年降雨量的51.3%。

土門子水庫的壩址區屬于低山丘陵區，大部分地段基巖裸露，該段牛河總體自東向西流，河床不寬，但是地貌較為復雜。壩址區裸露地層主要為遠古代土門組砂巖、泥灰巖以及砂質頁巖，第四紀巖層主要分布于坡腳與河床。

2　泄水設施加固方案設計

2.1溢洪道現狀及存在的問題

土門子水庫的溢洪道位于大壩左岸，為開敞式溢洪道設計，全長150.5m，最大泄洪量為657m3/s。溢洪道的現狀為漿砌石折線堰，堰寬22.5m，堰頂高程為179.5m。由于水庫修建年代較早，設計標準不高，加之長時間運行，溢洪道存在較多問題，主要表現為：溢洪道寬度過窄，難以滿足P=1%以上洪水的泄洪要求，且右岸的山體風化較為嚴重，影響溢洪道的運行安全；溢洪道左岸的導流墻設計不規范，并且比較單薄；溢洪道的溢流堰為漿砌石結構，但是砌筑質量不高，且與山體相連之處存在明顯的滲水現象；溢洪道整體設計較為簡單，下游沒有消能設施，洪水期大量泄洪的情況下，下游回水會沖刷壩腳，對壩體的安全產生潛在威脅。土門子水庫溢洪道的上述問題，已經影響到水庫的安全度汛，因此亟待進行加固。

2.2溢洪道的加固設計方案與參數計算

2.2.1溢洪道的總體布置與工程加固措施

根據土門子水庫的實際情況，加固后的溢洪道仍然采用開敞式設計思路[1]。整個溢洪道設計為4部分，分別是：進口段，樁號為0-030～0+000；控制段，樁號為0+000～0+010；泄槽段，樁號為0+010～0+100；消能段，樁號為0+100～0+130。

加固的主要工程措施包括以下幾個：

(1)原來的溢洪道過窄且右側山體風化嚴重，因此將溢洪道向右側拓寬，使總寬達到25m。

(2)將漿砌石溢流堰拆除重建，斷面采用WES曲線。

(3)將溢洪道左岸的漿砌石導流墻拆除重建，背水面坡比設計為1∶0.5，重建時使用M10水泥砂漿，擋水墻迎水面利用M10水泥砂漿勾縫。

(4)新建下游挑流消能設施。

(5)為避免泄洪回水沖刷壩腳，在主河槽壩后新建漿砌石擋土墻。

(6)徹底清除溢洪道下游河道內的樹木、垃圾等影響泄洪的雜物，確保水庫行洪安全。

2.2.2進口段

加固后的土門子水庫溢洪道進口段長30m，樁號為0-030～0+000。上游寬42m，沿水流方向到控制段入口處逐步收窄為25m，需要拓寬的部分由右岸風化山體開挖獲得，開挖后對右岸邊坡進行必要處理，使邊坡穩定性達到相關設計要求[2]。在進口段左岸新建漿砌石擋土墻，坡比設計為1∶0.3。

2.2.3控制段

加固后的土門子水庫溢洪道控制段長10m，樁號為0+000～0+010。控制段的溢流堰設計標準低且年久失修滲水嚴重，因此需要拆除重建。重建后的溢流堰堰頂高程為179.5m，總凈寬為25m。根據溢流堰的相關設計經驗，這種壩頂式實心溢流堰的剖面線主要有克-奧曲線和WES曲線兩種[3]。其中，克-奧曲線施工放樣不方便，同時其確定的剖面經常超過穩定與強度要求，而WES曲線剖面小，具有便于放樣、流量系數大等優點[4]，因此本次加固設計中擬采用WES曲線。WES曲線溢流面方程為：

(1)

式中:X、y為以堰頂為原點的坐標；Hd為定型設計水頭；K為與上游壩面坡度有關的系數；n為與上游壩面坡度有關的指數。當上游壩面鉛直時，K取2.0，n取1.85。

結合土門子水庫的工程實際，溢流堰剖面WES曲線方程為：

(2)

工程設計溢流堰堰體的基礎厚度為0.7m，深入溢流段基巖。土門子水庫P=0.2%時校核洪水水位為183.74m，因此溢流堰堰前的最大水位差為183.74-179.50=4.08m，根據水力學堰上設計水頭的相關規定，Hd=(0.75～0.95)Hmax，該工程取系數為0.85，計算得Hd=3.47m。堰體表面為30cm厚的C25現澆混凝土，內部為M10水泥砂漿砌筑體。溢流堰的前部、頂部和后部均利用M10砂漿勾凸縫。溢流堰設計剖面圖如圖1所示。

圖1　溢流堰工程設計剖面圖

2.2.4泄槽段

加固后的土門子水庫溢洪道泄槽段長90m，樁號為0+010～0+100。加固中將左岸的導流墻拆除，重建M10漿砌石重力擋土墻。對右側山體進行拓寬開挖，使泄槽段底寬達到25m，邊坡比設計為1∶1，必要時采取工程措施，確保山體穩定。

(1)水面線計算。泄槽段水流屬于明渠非均勻水流，因此水面線計算采用分段求和法進行。計算公式采用《溢洪道設計規范》(SL253—2000)附錄中的公式進行計算。

(3)

式中:Δl1-2為分段長度,m；h1為分段始斷面水深,m；h2為分段末斷面水深,m；υ1為分段始斷面平均流速,m/s；υ2為分段末斷面平均流速,m/s；θ為泄槽底坡角度，(°)；α1、α2為流速分布不均勻系數，取1.0；i為泄槽底坡坡度；J為平均摩阻坡降。

(2)泄槽邊墻高程計算。

依據《溢洪道設計規范》(SL253—2000)中關于泄槽邊墻高度的設計要求，其高程應該按計入波動和摻氣后的水面線加上一定的超高確定。其中校核水位下加0.5m，標準水位下加1.0m，以兩者之中的最大值作為邊墻的設計高程。波動及摻氣后的水深按式(4)計算[6]：

(4)

式中:hb為泄槽計算斷面的波動和摻氣水深,m；h為泄槽計算斷面的水深,m；υ為泄槽計算斷面的平均流速,m/s；ζ為計算修正系數，取1.2s/m。

根據計算結果與現場地形綜合考慮，最終確定泄槽邊墻的高度為4.0m。

2.2.5消能段

加固后的土門子水庫溢洪道消能段長30m，樁號為0+100～0+130。根據水庫溢洪道現場的地形條件，采用挑流消能形式，底部采用厚30cm的鋼筋混凝土。

(1)挑流鼻坎的設計。

挑流鼻坎的作用在于對洪水進行消能并將其送入下游出水渠[7]。依據《溢洪道設計規范》(SL253—2000)的相關規定，在保證能形成自由挑流，發揮其消能作用的前提下，挑坎的高程要與下游最高水位平齊或略低，結合土門子水庫消能段的實際情況，確定坎頂的高程為169.6m，齒墻底高程為164.5m。

土門子水庫消能段的挑坎設計為連續等寬式，這種挑坎的反射弧半徑為反弧最低點水深最大值的6～12倍[8]。結合工程實際與相關數據，確定反弧半徑R=4.95m，反弧最低點的高程為168.56m，挑射角為37.69°，其上游與泄流槽底板相切。

(2)挑坎水力計算。

挑流水舌的外緣挑距利用《溢洪道設計規范》(SL253—2000)附錄A中的公式進行計算。

(5)

式中：L為挑流水舌外緣挑距,m；g為重力加速度；υ1為挑流鼻坎頂面平均流速,m/s；θ為挑流水舌出射角，此處取鼻坎挑角37.69°；h1為挑流鼻坎末端水深,m；h2為挑流鼻坎到沖刷坑最低點的高程差,m。

利用上述公式計算得挑距L=16.1m。

水庫溢洪道消能段全長30m，底部總凈寬25m，采用厚30cm鋼筋混凝土。其中底部為5cm厚的C10混凝土墊層，上部為25cm厚的C25鋼筋混凝土結構，該層設置有兩道鋼筋網，其中面層設計為間距20cm的Φ12鋼筋，雙向布置；底層設計為間距20cm的Φ10鋼筋，雙向布置，鋼筋保護層為2.5cm。設計完成的挑流坎縱剖面圖如圖2所示。

圖2　挑流坎縱剖面圖

根據施工設計前的地質調查，土門子水庫溢洪道下游基巖裸露，且完整性好，具有較強的抗沖刷能力，所以溢洪道下游的河床不必采取工程保護措施。對于加固施工前溢洪道內洪水回流到壩后的情況，此次溢洪道加固施工過程中，設計在水庫大壩主河槽段壩后新建長60m、高2.8m的漿砌石重力式擋土墻，其結構如圖3所示。

圖3　擋土墻斷面圖

3　結　論

土門子水庫除險加固工程于2013年汛前全部結束。根據加固設計，溢洪道在原有基礎上拓寬至25m，拆除原有的溢流堰后，重建了高標準的WES溢流堰，并在下游增建了挑流消能設施，在加固過程中嚴格按照設計要求施工建設。工程完工的當年汛期，大洋河流域就連降暴雨，土門子水庫上游來水超過歷年平均水平，水庫溢洪道連續運行多日。經相關技術人員現場查看，溢流堰過流量明顯增加，同時溢洪道內水流平穩，下游的消能設施運行正常，各項數據與設計要求基本吻合，驗證了溢洪道加固設計方案的正確性。

[1]李水生，李曉彬，申顯柱.開敞式寬大單泄槽溢洪道優缺點淺析[J].珠江水運，2014(21):66-67.

[2]李國文，司學成，郭友文.西泉眼水庫溢洪道進口山體噴錨加固施工方法[J].黑龍江水利科技，2014(4):106-107.

[3]楊曉凌，楊曉明.溢洪道溢流堰選型的探究[J].內蒙古科技與經濟，2012(5):103，105.

[4]郭維東，劉旭冉，李曉東,等.WES堰消力池底板脈動壓力與噪聲耦合試驗[J].人民黃河,2013(11):130-132.

[5]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.溢洪道設計規范[M].北京：中國電力出版社,2003.

[6]黃智敏，朱紅華，何小惠，等.溢洪道階梯陡槽段水深試驗與計算探討[J].水動力學研究與進展,2007,22(6):782-789.

[7]張俊，劉飛鵬，邱勇，等.泄流建筑物異型挑流鼻坎三維設計研究[J].水電能源科學，2015(7):97-100.

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王博文(1984-),男，工程師,主要從事水利運行調度工作。

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