板澗河水庫溢洪道優(yōu)化設(shè)計(jì)芻議

趙培越

（山西小浪底引黃工程有限公司，山西 垣曲043700）

1 工程概況

板澗河水庫位于垣曲縣毛家灣鎮(zhèn)板澗河村下游約1.5 km處，為小浪底引黃工程的調(diào)蓄水庫，系黃河一級(jí)支流板澗河干流上的一座中型水庫，距垣曲縣城約21 km。水庫控制流域面積247.2 km2，壩址以上多年平均天然徑流量3 396萬m3，總庫容3 336萬m3，興利庫容2 626萬m3，設(shè)計(jì)洪水位535.5 m，校核洪水位538.53 m。主要建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪洞等。大壩設(shè)計(jì)為混凝土面板堆石壩，壩頂長167 m，壩頂寬8 m，壩頂高程540.0 m，最大壩高85.0 m。

2 溢洪道工程現(xiàn)狀

2.1 溢洪道布置

溢洪道布置于水庫左岸，軸線方向?yàn)镾61.67°E，控制段采用無底坎寬頂堰，距左壩頭約50 m，堰頂高程530.0 m，設(shè)3孔，每孔凈寬8 m，泄槽底坡為1∶3.2，出口挑流鼻坎的頂高程為469.0 m。最大泄量973 m3/s，設(shè)計(jì)洪水時(shí)只開啟一孔，泄量為168 m3/s。溢洪道總長253.5 m（樁號(hào)Y0-038.0～Y0+215.5），由引渠段、閘室控制段、泄槽段、挑流鼻坎段組成。

2.2 溢洪道工程地質(zhì)

溢洪道沿線地面高程455～573 m。出露地層上部為震旦系下統(tǒng)云夢山組第二巖組（Z2y-2）石英砂巖，巖性堅(jiān)硬，厚度35～100 m，巖層產(chǎn)狀為N15°～43°W/SE∠24°～37°。強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般1～3 m，弱風(fēng)化層厚度一般5～10 m。其下為震旦系下統(tǒng)馬家河組第一巖組（Z1m-1），巖性為暗褐色、紫紅色、灰綠色安山巖、輝石安山巖，厚度大于100 m。上部石英砂巖與其下安山巖為角度不整合接觸。接觸帶處安山巖頂層存在古風(fēng)化殼，古強(qiáng)風(fēng)化層厚度3～4 m，古弱風(fēng)化帶厚度15 m左右。

2.3 原溢洪道泄槽段設(shè)計(jì)

經(jīng)綜合比較，溢洪道泄槽底坡采用1∶2.95。樁號(hào)Y0+023.0—Y0+207布置泄槽段，泄槽凈寬28 m，包括拋物線連接段和陡坡段。樁號(hào)Y0+023.0—Y0+030.567為拋物線連接段，拋物線y=0.022 4x2（m）將閘室段和陡坡段連接，樁號(hào)Y0+030.567—Y0+207為陡坡段，底坡為1∶2.95，下游接挑流鼻坎段。

泄槽長184 m，為矩形槽，凈寬28 m，邊墻底板為分離式，底板厚0.42 m。邊墻高6～3 m，為L形，頂寬0.5 m，底寬1.5 m，基礎(chǔ)深1.0 m，墻后直挖，墻頂以上開挖坡度1∶0.3～1∶0.5。

2.4 設(shè)計(jì)變更的原因

2016年3月，施工單位對(duì)泄槽下游段開挖后發(fā)現(xiàn)：樁號(hào)Y0+159.0～Y0+215.5段的右岸邊墻處基巖面偏低，如維持原設(shè)計(jì)尺寸，則會(huì)造成工程量增大、投資增加，且右邊墻失去了墻背后的基巖支撐，其穩(wěn)定和強(qiáng)度也存在問題。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 溢洪道泄槽布置優(yōu)化

此時(shí)，溢洪道泄槽底板混凝土已澆筑至Y0+087.0。為使結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)全部直接坐落于基巖面上，對(duì)泄槽尺寸進(jìn)行調(diào)整，將右邊墻從樁號(hào)Y0+087.0處開始，將泄槽段右邊墻向內(nèi)收縮，至樁號(hào)Y0+207.0處，泄槽凈寬為由28 m漸縮至23 m，邊墻偏轉(zhuǎn)角為2.39°，直至挑流鼻坎段邊墻，按此角度順延。

3.2 水力學(xué)計(jì)算

校核洪水位為538.53 m，校核泄量為973 m3/s；設(shè)計(jì)洪水位535.50 m，泄量Q=503.75 m3/s。

（1）水面線計(jì)算

按校核洪水工況考慮，依據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253—2000）附錄A.3.1之規(guī)定，溢洪道泄槽水面線應(yīng)根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式：

式中：Δl1-2——分段長度，m；

h1、h2——分段始、末斷面水深，m；

v1、v2——分段始、末斷面的平均流速，m/s；

α1、α2——流速分布不均勻系數(shù)，取1.05；

θ——泄槽底坡角度，°；

i——泄槽底坡，I=tgθ；

J——分段內(nèi)平均摩阻比降；

n——泄槽槽身糙率系數(shù)，取0.015；

v——分段平均流速，v=（vi+vi+1）/2，m/s；

R——分段平均水力半徑，R=（R1+R2）/2，m。

采用A.3.2公式計(jì)算摻氣水深：

式中：ha——摻氣后水深，m；

ζ——修正系數(shù)；

h、v——不摻氣時(shí)計(jì)算斷面水深、流速。

（2）泄槽邊墻高度確定

在考慮摻氣水深后，再加上0.5 m的安全超高，即為泄槽邊墻的高度，不同樁號(hào)泄槽邊墻的高度見表1。

表1 分段求和法計(jì)算水面線成果表

（3）泄槽邊墻收縮角度復(fù)核

泄槽收縮段從樁號(hào)Y0+087.00開始，至出口樁號(hào)Y0+207.00處結(jié)束，泄槽凈寬從28.0 m縮窄5.0 m，至23.0 m，邊墻的偏轉(zhuǎn)角為θ=2.39°＜6.0°，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2000）的3.4.4條，可不進(jìn)行沖擊波的驗(yàn)算。

優(yōu)化后的摻氣水深，較原設(shè)計(jì)的計(jì)算成果略有上升，但邊墻高度仍能滿足要求，泄槽尺寸滿足泄流能力要求。

（4）挑距和沖坑復(fù)核

依據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253—2000）附錄A.4.1、A.4.2之規(guī)定，挑距和沖坑計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 溢洪道挑距和沖坑計(jì)算成果表

消能建筑物在校核、設(shè)計(jì)洪水位敞泄時(shí)，能夠滿足要求。

3.3 泄槽右側(cè)邊墻優(yōu)化設(shè)計(jì)

因泄槽右側(cè)基巖面過低，右側(cè)邊墻基巖的支持力消失，擋墻變?yōu)閼冶劢Y(jié)構(gòu)。為此，改變邊墻尺寸：泄槽段右側(cè)邊墻厚度由500 mm變?yōu)?00 mm，墻基礎(chǔ)寬度由1 500 mm變?yōu)? 600 mm，其余不變；挑流段右側(cè)邊墻厚度由500 mm變?yōu)?00 mm，其他不變。按照擬定的尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語

溢洪道泄槽段，沿軸線方向一般情況下宜為等寬，本溢洪道工程在平面布置時(shí)也遵循了這一原則。但是樁號(hào)Y0+159.0—Y0+215.5段的右岸邊墻處基巖面偏低，若按原設(shè)計(jì)方案，勢必要增加基礎(chǔ)混凝土630 m3。設(shè)計(jì)者因地因時(shí)制宜，根據(jù)實(shí)際的工程情況，改進(jìn)設(shè)計(jì)，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、安全的目的。新設(shè)計(jì)溢洪道在樁號(hào)Y0+159.0—Y0+215.5段建基面較原設(shè)計(jì)低了3 m左右。通過平面優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅節(jié)省了工程量，而且溢洪道的各項(xiàng)指標(biāo)也滿足規(guī)范要求。