中美技術標準下溢洪道設計對比分析

譚 玲

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

溢洪道是一種常見的泄水建筑物，在國內外水電工程中的應用極為廣泛，是保證大壩安全非常重要的建筑物之一[1]。隨著中國電力建設企業對國際水電市場的開拓，國內設計企業承接了越來越多的國外水電工程項目的設計與建設，而大部分區域必須按要求采用美標規范進行設計與復核，這就要求國內工程師在精通國內標準的同時，也要熟悉國外標準。國內外在長期理論和試驗研究的經驗累積下，得到了溢洪道設計中一些水力特性的計算方法、經驗公式和經驗系數，但因溢洪道涉及的邊界條件復雜多變，大中型水利水電工程最終必須要靠水工模型試驗來驗證其布置及水力設計的合理性[2]。

本文以國外某水電站設計實例為依托，分別采用中、美技術標準分別對溢洪道設計中重要的水力計算如泄流能力、挑流鼻坎射程、沖坑最大水墊深度等進行計算，并結合水工模型試驗結果與中美技術標準下的理論計算結果進行比較分析。

1 控制標準

關于溢洪道水力設計規范，中國規范主要有電力行業標準DL/T 5166—2002[3]和水利行業標準SL 253—2018[4]，以上規范對溢洪道實用堰水力計算公式及參數要求基本一致。國際上用于溢洪道設計的規范主要有美國墾務局《Design of small dams》[6]、美國陸軍工程師兵團《Corps of Engineers Hydraulic Design Criteria》(以下簡稱“HDC”)[7]、《Hydraulic design of spillway》EM-1110-2-1603(以下簡稱“EM1603標準”)[8]，以上規范對溢洪道實用堰設計要求基本一致。本文選取中國電力行業標準DL/T 5166—2002溢洪道設計規范[3]和美標《Corps of Engineers Hydraulic Design Criteria》[7]及《Hydraulic design of spillway》[8]作為主要理論計算依據，結合工程實例對計算結果進行比較分析。

2 工程概況

國外某水電站以發電為主，總裝機容量700 MW，正常蓄水位230.00 m，死水位223.00 m。，該水電站擋水建筑物是碾壓混凝土重力壩與粘土心墻堆石壩混合壩，溢洪道布置在重力壩段河床部位，采用4孔閘門設計，單孔尺寸為15 m×20 m(寬×高)，閘墩厚4.5 m，溢流堰采用WES堰型，堰頂高程為210.50 m，上游面鉛直，為高堰，見圖1，圖2。

溢洪道消能方式為挑流消能，泄洪水流從溢洪道泄槽末端的挑流鼻坎射出。溢洪道下游設有消力池，尺寸70 m×90 m(寬×長)，底部高程110.00 m，布置位置按規范要求及水工模型試驗結果盡可能遠離壩址，消力池中心樁號為H.0+220.000，距壩址下游約140 m。

3 溢洪道水力計算與水工模型試驗結果對比

3.1 泄流能力計算

3.1.1計算公式

中國電力行業標準DL/T 5166—2002溢洪道設計規范[3]中關于開敞式實用堰的泄流計算公式按式(1)計算：

(1)

其中，Q為流量，m3/s；B為溢流堰總凈寬，m；H0為計入行近流速的堰上水頭，對于高堰H0=H，m；H為堰上水頭，m；g為重力加速度，m/s2；m為流量系數；C為上游面坡度影響修正系數，當上游面為鉛直時C=1.0；ε為收縮系數，對高堰取0.90～0.97，低堰取0.80～0.90；σm為淹沒系數，不淹沒時取1。

美標EM1603標準中堰流計算公式按式(2)計算：

(2)

其中，Q為溢洪堰流量，ft3/s；Le為溢流堰凈寬，ft；He為堰頂總水頭，ft；C為包括引水渠，堰頂形狀，邊墩和橋墩的總流量系數。

Le=L-2(nKp+Ka)He

(3)

其中，L為堰頂凈寬，ft；n為閘墩數量；Kp為閘墩收縮系數；Ka為邊墩收縮系數。

3.1.2中美技術標準計算結果對比

4孔閘門全部開啟時，按中國規范和美國規范計算的溢洪道泄流能力對比結果見表1。美標中流量系數C受很多因素影響，包括行近水深、實際堰頂形狀與理論水舌形狀之關系、上游面坡度、下游護坦產生的干擾、下游淹沒度等[6]，而中國規范中流量系數m未考慮上述因素的影響[1]。美標中，流量系數C參照美標HDC中圖111-3中得出，對比《Design of small dams》中得到的流量系數值偏高一些，本文以HDC中得到的C值進行計算。

表1 4孔閘門全部開啟時溢流堰水位—泄流量關系

3.1.3理論計算與水工模型試驗成果對比

水工模型試驗與中、美技術標準理論計算泄流能力對比如表2所示。

表2 計算流量與實測流量對比表

由表1可知，中美標準計算理論值相差結果均值在6%～8%左右，相差不是很大。從表2可知，在相同庫水位下，溢洪道下泄流量水工模型試驗實測值均比中國規范及美國標準理論計算值高，說明溢洪道泄流能力滿足要求。其中，中美標準計算結果與水工模型試驗實測值結果相比，隨著庫水位及流量的增加，兩者的差值均呈現減小趨勢，而美標計算結果與水工模型試驗結果更為接近。

3.2 挑流消能計算

3.2.1挑距計算

中國電力行業標準DL/T 5166—2002溢洪道設計規范[3]中關于挑距計算公式按式(4)計算：

(4)

其中，L為自挑坎坎頂算起的挑流水舌外緣與下游水面交點的水平距離，m；v1為坎頂水面流速，m/s；θ為挑坎挑角，(°)；h1為坎頂鉛直方向水深，m；h2為坎頂至下游水面高差，m。

美標EM1603標準中堰流計算公式按式(5)計算：

XH=hesin2θ+2cosθ[he(hesin2θ+Y1)]1/2

(5)

其中，he為挑坎末端的流速水頭，m；θ為挑射角度，(°)；XH為水平挑距，m；Y1為挑坎末端至尾水面的高差，m。

洪水標準按美標取最大可能洪水(PMF)工況進行計算，PMF洪水位231.50 m，下游水位157.00 m，下游河床高程約149 m，挑射角度取35°，按中國規范計算得到的挑距為160.7 m，按美標計算得到的挑距為120.0 m，而水工模型試驗結果水舌落水范圍樁號為H.0+195 m～H.0+215 m，挑距約為108 m～118 m，按美標規范計算的挑距結果與水工模型試驗結果更為接近。由于溢流壩面上的能量損失，實際的挑距可能遠小于計算值，因此需要通過溢流壩面上能量損失的原型觀測，對理論和實際射程作出比較[7]。根據水工模型試驗成果，挑流水舌均落入消力池內，不會影響大壩穩定，布置位置合理。

3.2.2沖坑最大水墊深度計算

中國電力行業標準DL/T 5166—2002溢洪道設計規范[3]中關于沖坑最大水墊深度計算公式按式(6)進行估算：

t=Kq0.5H0.25

(6)

其中,t為自下游水面至坑底的最大水墊深度，m；q為坎頂單寬流量，m3/(s·m)；K為沖刷系數；H2為下游水深，m；H為上、下游水位差，m。

美標EM1603中建議采用模型試驗來驗證河床沖刷程度，此次按《Design of small dams》[6]中經驗公式進行大致估算：

(7)

其中，ds為尾水位高程以下的最大沖刷深度，m；HT為從水庫水位到尾水位的落差，m；q為單寬流量，m3/(s·m)。

PMF工況下計算得到的沖坑最大水墊深度為53.4 m，按美標計算得到的結果為62.4 m，結合實際地形地質條件初步設計消力池底高程110.0 m。水工模型試驗PMF工況下沖刷區最深沖刷深度為45.2 m，沖坑最深點高程為109.8 m，比設計底高程110 m低0.2 m，證明此設計方案較為合理。

4 結語

對比關于溢洪道設計中中美技術標準理論計算結果及水工模型試驗結果，得出以下幾點結論：

1)中國規范用于指導溢洪道設計的規范較為統一，美標用于指導相關設計的規范較多，兩者在公式、參數的選取上存在差異，以實際工程案例為依托，將中國規范與美國標準計算得到的泄流能力結果進行對比，美標計算結果大于中國規范計算結果，兩者相差不大。而中美技術標準理論計算結果均小于水工模型試驗結果，說明均滿足泄流能力要求，其中，美標計算結果與水工模型實驗結果更為接近。

2)挑流消能計算中挑距及沖坑最大水墊深度，中美技術標準計算值與水工模型試驗數據有一定差距，尤其是挑距的中美計算成果差異較大。無論是中國規范還是美國標準，理論計算結果只能作為設計參考的初步估算，大中型水電站泄洪建筑物如溢洪道等重要部位最終還應以水工模型試驗結果進行驗證并作為設計依據。

3)綜上，中美技術標準關于溢洪道設計的分析流程基本一致，除公式、參數的選擇上存在差異，均是以理論計算為依據，水工模型試驗進行校驗復核。國內工程師在國際項目的設計工作中，選擇符合合同要求的規范保證安全性，但同時也應重視業主的要求，做出合理經濟的設計方案。