河中水庫溢洪道設計淺析

陸曉英

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司云南分院，云南 昆明 650000）

0 前言

河中水庫位于云南省臨滄市云縣愛華鎮。擬建水庫流域所在河流為南箐河，屬瀾滄江流域瀾滄江水系，位于瀾滄江中段左岸二級支流南箐河上游。

河中水庫的工程任務為：農業灌溉兼顧灌區人畜飲水。河中水庫的修建，可將項目區內人畜用水的水源由山箐水調整為水庫庫水，顯著提高人畜用水的保證率，從根本上解決人畜用水水源安全問題。

河中水庫總庫容370.00萬m3，水庫屬山區工程，根據《防洪標準》（GB 50201-2014）、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）規定，本工程規模為小（1）型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物大壩、導流輸水隧洞、溢洪道為4級，次要建筑物輸水管道及其附屬建筑物、管理房、進場道路、臨時建筑物等為5級。

1 溢洪道軸線布置方案比選

根據現場踏勘結合地形條件，溢洪道可布置于河道的左、右兩岸，左、右岸溢洪道方案比選情況如下：

1.1 地質條件

左岸軸線地形起伏較大，岸坡由NNE轉為NE向，自然坡度27°～30°。溢洪道全線基巖出露，巖性為三疊系中統忙懷組（T2m）片麻巖，變晶結構，片麻狀構造。全風化層厚6 m～10 m，呈砂狀或土狀，承載力350 kPa,變形模量40 MPa；強風化層厚10 m，建議承載力1.2 MPa；相較左岸，右岸軸線地形起伏更大，軸線0+130處發育一條小沖溝，長為200 m，切割深5 m，溝底寬為3 m～5 m。順沖溝發育f24斷層，走向81°～96°，陡傾角，斷層破碎帶寬0.3 m～1.0 m，由構造巖、碎裂巖組成，斷層呈張扭性。綜合比較左岸溢洪道稍優。

1.2 工程布置

溢洪道布置在左岸時，與導流輸水隧洞豎井緊鄰，結構布置緊湊；溢洪道布置在右岸時，與導流輸水隧洞豎井分別位于壩頂兩側，功能分區明確；但地形地質條件差，布置須經過沖溝，須兩次轉彎，須兩級消能。綜合比較左岸溢洪道稍優。

1.3 施工條件

溢洪道與導流洞均布置在左岸時，兩者相距較近，易造成施工干擾，但可通過合理的施工組織設計予以避開；溢洪道與導流輸水隧洞分開布置左右兩岸，施工干擾少，且靠近進場道路、管理房及施工生產生活區，交通方便。綜合比較右岸溢洪道稍優。

1.4 運行管理

水庫管理所位于壩址上游左岸，左岸溢洪道離水庫管理所較近（約30 m），有利于日常集中管理；水庫管理所位于壩址上游左岸，右岸溢洪道離水庫管理所稍遠（約270 m），較左岸方案，管理稍顯不便。綜合比較左岸溢洪道稍優。

1.5 工程投資

左岸溢洪道方案投資約1858.11萬元；右岸溢洪道投資約1910.58萬元。綜合比較左岸溢洪道稍優。

1.6 結論

通過對地質條件，工程布置，施工條件、運行管理及工程投資的綜合比較，左岸溢洪道方案具有工程布置合理，投資低、施工干擾小、運行管理方便的優點。故本階段將左岸溢洪道作為推薦方案。

2 溢洪道堰型擬定

根據《溢洪道設計規范》（SL 253-2018）（下文簡稱《規范》），控制堰的形式應根據地形、地質條件、水力條件、運用要求，通過技術經濟綜合比較選定。堰型可選用開敞式或帶胸墻的實用堰、寬頂堰、駝峰堰等型式。本階段根據現場地形和地質條件，初擬實用堰與寬頂堰進行技術經濟比較。根據調洪結果，溢洪道設計流量（P=3.3%）為120 m3/s，校核流量（P=0.33%）為184 m3/s，通過水力計算，初擬實用堰堰頂寬25 m，寬頂堰堰頂寬30 m，溢洪道不同堰型比較主要從流量系數、堰頂寬度、主要工程量、工程投資幾方面進行，通過比較，實用堰流量系數大，過流能力強，水流條件好，且工程量少，投資省，故本階段推薦實用堰。

3 溢洪道工程布置及結構設計

溢洪道布置在左岸壩肩，軸線與壩軸線成90°夾角，為無閘控制開敞式側槽溢洪道，堰型為實用堰，由側槽段、調整段、泄槽1段、泄槽2段、底流消能段、海漫段組成，溢洪道全長272.07 m。20年一遇消能防沖洪水位（1665.04 m）時泄流量為107.20 m3/s，30年一遇設計洪水位（1665.18 m）時泄流量為119.81 m3/s，300年一遇校核洪水位（1665.80 m）時泄流量為183.80 m3/s。結構設計見表1。

表1 溢洪道工程布置及結構設計詳情

4 溢洪道水力計算

4.1 泄流能力計算

開敞式WES型實用堰的泄流能力按以下公式計算：

計算結果如下：

設計洪水位1665.18 m時，Q計=136 m3/s，Q設=120 m3/s，Q計＞Q設；校核洪水位1665.80 m時，Q計=218 m3/s，Q設=184 m3/s，Q計＞Q設；設計工況及校核工況均滿足調洪要求。

4.2 側槽沿程水面線計算

側槽長度與溢流堰長度一致為25 m，底寬由4 m漸變為8 m，首端底高程為1657.30 m，末端底高程1657.24 m，槽底縱坡0.0025。側槽內水流為一典型的空間沿程增加的變量非均勻流，沿程水面線按《溢洪道設計規范》（SL 253-2018）（以下簡稱規范）附錄A.3.1計算，公式如下：

計算結果見表2。

表2 側槽內各工況下水面曲線

由以上計算結果可知，在校核洪水時，側槽首段的水深0.50 m（相對溢流堰堰頂（堰頂高程同正常蓄水位為1663.30 m）），小于堰上水頭（校核洪水位-堰頂高程1665.80-1663.30=2.5 m）的一半1.25 m，由此看出側槽斷面設計是合理的。

4.3 泄槽水力計算

溢洪道泄槽，按校核流量工況進行計算，即校核泄量Q=184 m3/s，水面曲線計算根據規范采用分段求和法進行計算。根據計算結果，泄流時的水面曲線并考慮摻氣水深，從而確定邊墻高度。

根據規范4.4.2條，泄槽的水面線，應根據能量方程用分段求和法，計算公式詳見規范，根據規范3.4.5條，泄槽邊墻頂高程，應根據波動和摻氣水深后的水面線加0.5 m～1.5 m的超高，則泄槽計算結果見表3。

表3 泄槽校核工況（Q=184 m3/s）水面線計算表

4.4 底流消能

消力池采用矩形斷面消力池，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）規定，山區、丘陵區水利水電工程的永久性泄水建筑物消能防沖設計的洪水標準，可低于泄水建筑物的洪水標準，本工程為4級建筑物，故取洪水重現期20年下泄流量（107 m3/s）作為消能防沖設計流量。

4.4.1 共軛水深

根據《溢洪道設計規范》（SL 253-2018）A.6.2式，漸擴式矩形斷面消力池，水平護坦上水躍共軛水深h2可按下式計算：

式中：Fr1為收縮斷面弗勞德數；h1為收縮斷面水深，m；b1為躍前斷面寬度，b1=8.0 m；b2為躍后斷面寬度，b2=10.0 m。

經計算，共軛水深h2=7.62 m。

4.4.2 自由水躍長度計算：

根據《水力計算手冊》（第二版），漸擴式矩形槽中的自由水躍長度可按下式計算：

式中：b1為躍前斷面寬度，b1=6.0 m；

θ為側墻擴散角（側墻與池中心線的夾角），θ=2.2026°；

經計算，得出水躍長度L=36.44 m。

4.4.3 消力池池深、池長計算

根據《溢洪道設計規范》（SL 253-2018）A.6.3消力池池深、池長可按下列公式計算：

式中：d為池深，m；σ為水躍淹沒度，可取為1.05；h2為池中發生臨界水躍時的躍后水深，h2=7.62 m；ht為消力池出口下游水深，ht=2.27 m；ΔZ為消力池尾部出口水面跌落，m；Q為流量，m3/s；b為消力池躍后斷面寬度，m；φ為消力池出口段流速系數，可取0.95；L為自由水躍長度，L=36.44 m。

經計算，消力池長度為Lk=25.51 m，取26.0 m，池深為4.3 m，消力池的邊墻高度為8.0 m。

5 溢洪道結構穩定計算

5.1 結構穩定計算

5.1.1 側槽段結構穩定計算

側槽段結構穩定計算工況均為：校核洪水時，結合實際情況的受力分析，取最危險斷面為計算斷面（側槽段邊墻和底板為分離式結構，分開計算穩定）。運用理正巖土系列中擋土墻設計計算方法進行驗算。巖土相關力學參數根據地質建議參數選取。計算的荷載主要有土壓力、水壓力、結構自重等，計算時采用各自最不利組合情況。穩定計算參數表見表4，側槽段穩定計算結果見表5。

表4 穩定計算參數表

表5 側槽段穩定計算結果

經過驗算，側槽段結構尺寸滿足要求。

5.1.2 泄槽段結構穩定計算

計算工況為：校核洪水時，由于陡槽為10 m分一段，計算時只用計算最危險的部分，結合實際情況的受力分析，最危險段為：陡槽與消力池相銜接段（邊墻和底板為整體計算）。

采用《中小型水庫設計》中計算方法進行校核，取溢0+231.57～溢0+246.07為計算斷面。

泄槽底板的滑動穩定可按下式校核：

取底板厚度取1.0 m，進行計算。

計算成果:抗滑穩定安全系數K=0.68，由《規范》表5.3.9-2設計規范得出0.68＜1.05。陡槽不滿足抗滑要求。

考慮增加砂漿錨桿錨固措施：根據《規范》B.2.4錨固地基的有效重計算：錨固地基的有效重可按下列公式計算：

經計算，當選用φ25，間距2.0 m，錨筋錨入巖石深度4.5 m時，抗滑穩定安全系數K=2.93，由《規范》表5.3.9-2設計規范得出2.93＞1.05。加錨固措施后，陡槽抗滑穩定滿足要求。

5.2 底板厚度計算

5.2.1 泄槽底板厚度計算

根據《溢洪道設計規范》（SL 253-2018）5.4條文規定，泄槽底板的厚度，應考慮溢洪道的規模及其與壩體的相對位置、沿線的工程地質和水文地質條件、水利特性、氣候條件、水流中挾沙情況等因素，并根據類似工程經驗進行類比確定。采用《中小型水庫設計》中計算公式進行校核。

經計算最大底板厚度為0.907 m，取為1.0 m。

5.2.2 消力池底板厚度計算

消力池底板厚度計算公式采用《中小型水庫設計》中的公式進行計算：

式中：hc為躍前收縮斷面水深，hc=0.477 m；vc為躍前收縮斷面流速，vc=28.05 m/s；α為陡槽末端射流與水平方向所成的角度，α=29.05°。

經計算消能底板厚度為2.18 m，最終取為2.2 m。

5.3 消力池底板抗浮穩定計算

計算工況為：校核洪水時，結合實際情況的受力分析，取消力池整體為計算斷面（邊墻和底板為整體式結構，整體計算穩定），根據《溢洪道設計規范》（SL 253-2018）B.1.2底板的抗浮穩定可按下列公式計算：

經計算,安全系數Kf=2.32，參照《規范》5.6消力池護坦。安全系數Kf取1.0～1.2校核情況下安全系數Kf去下限值，滿足要求。

6 結語

本次設計的重點內容為溢洪道的整體布局、結構設計以及水力計算，設計過程中，主要按各相關規范的設計要求進行設計，同時充分考慮工程的技術可行性和經濟性，通過分析大壩左右岸地形地質條件、溢洪道不同堰型比選，最終確定左岸無閘控制側槽溢洪道方案為推薦方案。其設計過程及設計成果可為類似工程提供參考。