水庫(kù)泄水建筑物結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)研究

賈剛

（貴州春曉博浩工程技術(shù)咨詢工程有限公司 貴州貴陽(yáng) 550000）

泄水建筑物是水庫(kù)工程中的一項(xiàng)重要結(jié)構(gòu)，通過對(duì)泄洪建筑物進(jìn)行合理應(yīng)用，能夠確保水利樞紐，以水工建筑物在具體應(yīng)用過程中規(guī)定安全性，從而達(dá)到減少洪澇災(zāi)害的作用。為了確保泄水建筑物的作用能夠得到合理發(fā)揮，必須要對(duì)水庫(kù)建筑物進(jìn)行合理分析，保證最終設(shè)計(jì)的水庫(kù)泄洪建筑物結(jié)構(gòu)形式的合理性。

1 工程特征水位

娃二溝水庫(kù)總庫(kù)容63.7萬(wàn)m3，正常蓄水位1768.00m，死水位1755.50m，正常蓄水位以下庫(kù)容50.8萬(wàn)m3，興利庫(kù)容44.8萬(wàn)m3，細(xì)石C15混凝土砌毛石重力壩最大壩高32.00m。

2 開敞式溢洪道

溢洪道采用表孔溢流，結(jié)合河床寬度，溢洪道寬度不宜超過5m。為合理確定表孔尺寸，開展了三個(gè)方案尺寸的比選，成果如表1所示。

表1 泄洪孔口方案比較

由表1可知，溢洪道采用不設(shè)閘方案3，大壩高度稍高，溢洪道寬度選擇結(jié)合下游河床寬度。方案2與方案3比較投資增加18.41萬(wàn)元，由于河床比降較大，河谷狹窄為（4～5m），河床開挖比邊坡處理措施增加，最不經(jīng)濟(jì)，不予推薦；方案1與方案3比較投資增加7.06萬(wàn)元，由于管理運(yùn)行比較復(fù)雜，壩體方量減少不大[1]。因此，溢洪道孔口尺寸以方案3為最優(yōu)，作為溢洪道推薦方案。

3 泄水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上游堰面曲線

上游堰頭曲線采用橢圓曲線，按《重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319—2018）的公式為：

式中：aHd、bHd－橢圓曲線長(zhǎng)半軸和短半軸（當(dāng) P1/Hd≥2 時(shí)，a=0.28~0.3，a/b=0.87+3a；當(dāng) P1/Hd＜2 時(shí)，a=0.215~0.28，b=0.127~0.163；當(dāng) P1/Hd小時(shí)，a與b取小值），取a=0.267，則b=0.133。

根據(jù)以上參數(shù)，式（1）簡(jiǎn)化為式（2）：

3.2 下游堰面曲線

表孔堰頂下游曲線采用《重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319—2005）附錄A中的WES冪曲線，其公式為：

式中：Hd——堰面曲線定型設(shè)計(jì)水頭，取Hd=0.91Hmax=1.7m；

n——與上游堰坡有關(guān)的指數(shù)，取n=1.85；

k——與P1/Hd有關(guān)的系數(shù)，取k=2.00。

根據(jù)以上參數(shù)，經(jīng)計(jì)算得上游堰面曲線為：Y=0.318×1.85。

3.3 臺(tái)階溢流面

臺(tái)階數(shù)為26，臺(tái)階尺寸為0.6m×0.8m（寬×高）。

3.4 反弧段曲線

參照其他工程，結(jié)合工程布置條件最終確定反弧半徑為R=5.00m、中心角53.13°。反弧段上接下游臺(tái)階溢流面，下接消力池[2]。

4 臺(tái)階與底流消能計(jì)算

4.1 臺(tái)階消能計(jì)算

根據(jù)樞紐布置，溢洪道消力池后與原河道相接。本工程采用溢流面臺(tái)階消能與消力池聯(lián)合消能的方式，臺(tái)階消能段長(zhǎng)度水平為15.6m，臺(tái)階寬度為0.6m，高度為0.8m，共26個(gè)臺(tái)階[3]。消能防沖標(biāo)準(zhǔn)按10年一遇洪水，下泄流量為8.6m3/s。

4.1.1 水流流態(tài)

臺(tái)階消能段底坡坡度為53.13°（大于27°），可能為分離流，分離流的臨界值按式（4）計(jì)算如下：

式中：dc——臨界水深，m；

經(jīng)水面線計(jì)算過程中可知為0.78m；

h——臺(tái)階的步高，m；h=0.8m；

l——步長(zhǎng)，m；l=0.6m。

4.1.2 均勻水深和出現(xiàn)均勻摻氣水流的距離的計(jì)算

采用南京水利科學(xué)研究院的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算均勻水深d0和出現(xiàn)均勻摻氣水流的距離L2：

經(jīng)計(jì)算得d0=0.46m；l2=11.57m。

4.1.3 消能率的計(jì)算

根據(jù)以下公式計(jì)算消能率：

式中：H堰——壩址以上堰高，m；

H——堰上水頭，m；

經(jīng)計(jì)算得：η=89.8%。

4.2 底流消能計(jì)算

由下式計(jì)算消力池的結(jié)構(gòu)尺寸，溢洪道消能防沖設(shè)計(jì)按規(guī)范《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253—2018）附錄A.6中公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：h2——自由水躍共軛水深，m；

h1——收縮斷面水深，m；

Fr1——收縮斷面弗勞德數(shù)；

v1——收縮斷面流速，m/s；

L——水躍長(zhǎng)度，m。

式中：d——池深，m；

σ——水躍淹沒，可取=1.05；

h2——池中發(fā)生臨界水躍是的躍后水深，m；

ht——消力池出口下游水深，m；

△Z——消力池尾部出口水面跌落，m；

Q——流量，m3/s；

經(jīng)計(jì)算得：根據(jù)規(guī)范規(guī)定消能池長(zhǎng)度及消能池深度計(jì)算，計(jì)算得，消力池長(zhǎng)度Lk=9.3~12.6m，消力池深度。實(shí)際取Lk=10.0m，消力池底板高程取1742.50m[5]。

5 消力池抗浮穩(wěn)定計(jì)算

5.1 消力池抗浮穩(wěn)定按式（8）計(jì)算

式中：kf——消力池抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，可取1.0～1.2；

P1——護(hù)坦自重，kN；

P2——護(hù)坦頂面的時(shí)均壓力，kN；

P3——當(dāng)采用錨固措施時(shí)，地基有效重量kN；

Q1——護(hù)坦頂面上的脈動(dòng)壓力，kN；

Q2——護(hù)坦底面上的揚(yáng)壓力，Q2kN；

經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)宣泄消能防沖洪水流量時(shí)，kf=1.4，滿足規(guī)范要求。

5.2 消力池邊墻穩(wěn)定計(jì)算

消力池邊墻穩(wěn)定按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算，公式如下：

式中：Kc——按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

基本組合情況k≥1.05，特殊組合情況k≥1.00；

f——邊墻混凝土與基巖接觸面的抗剪摩擦系數(shù)，取f=0.45；

∑W——作用于邊墻上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)平面的法向分值，kN；

∑P——作用于邊墻上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)平面的切向分值，kN。

由表2可知，消力池邊墻抗剪安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

表2 邊墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

6 結(jié)束語(yǔ)

水庫(kù)泄水建筑物結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜工作，具體設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)受多方面因素影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要做好相應(yīng)分析工作，保證設(shè)計(jì)的水庫(kù)泄水建筑物工程的安全、經(jīng)濟(jì)、施工、維護(hù)等各項(xiàng)內(nèi)容多能夠滿足水庫(kù)工程需求，從確保最終設(shè)計(jì)的泄水建筑物結(jié)構(gòu)型式能夠滿足水庫(kù)工程在日后應(yīng)用過程中的需求，保證水庫(kù)工程在應(yīng)用過程中不會(huì)出現(xiàn)安全問題，降低災(zāi)害的發(fā)生概率。