李金紅

(烏魯木齊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院(設(shè)計(jì)有限公司)，新疆 烏魯木齊 830034)

溢洪道是水庫(kù)等水利建筑的重要防洪設(shè)備，一般建于水壩一側(cè)，呈槽狀，當(dāng)水庫(kù)水位超過安全限度時(shí)，則水可以從溢洪道流向下游，可防止壩體因承壓過大而損壞。確保溢洪道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和行洪安全對(duì)于提高水庫(kù)大壩防洪能力意義重大，因此必須重視溢洪道各個(gè)結(jié)構(gòu)部分的運(yùn)行狀況。

1 工程概況

博斯坦水庫(kù)位于昌吉回族自治州木壘縣城以東45 km處前山區(qū)博斯坦河上，水庫(kù)修建于1997年，壩型為復(fù)合土工膜防滲堆石壩，總庫(kù)容約為285萬m3。博斯坦水庫(kù)樞紐主要由大壩、放水涵管、溢洪道組成，其中溢洪道形式為正槽開敞式，設(shè)計(jì)最大下泄流量127.5 m3/s，進(jìn)口段為喇叭形式，后接未襯砌明渠泄槽段，兩岸土體實(shí)際削坡為1∶0.6～1∶1，未達(dá)到設(shè)計(jì)值1∶1.5。溢洪道部分地段存在垮塌、坍塌危險(xiǎn)，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2 溢洪道各結(jié)構(gòu)除險(xiǎn)加固方案比選

2.1 起調(diào)水位和進(jìn)口段寬度確定

為保障水庫(kù)安全蓄水(興利庫(kù)容)，一般遵循原則為：采用正常蓄水位作為起調(diào)水位，通過改造溢流堰等措施加大泄量，盡量減少對(duì)興利的影響[1]。因此，本項(xiàng)目首先對(duì)設(shè)計(jì)、校核洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，由此得出所需壩頂高程、溢洪道進(jìn)口寬度等重要參數(shù)。計(jì)算成果見表1。

表1 水庫(kù)不同起調(diào)水位、不同進(jìn)口寬對(duì)應(yīng)最大下泄流量及與壩頂關(guān)系

博斯坦水庫(kù)溢洪道原寬19.0 m，由表1可知：當(dāng)設(shè)定起調(diào)水位為1776.40 m、溢洪道進(jìn)口寬為19.0 m時(shí)，原壩頂高程和溢洪道進(jìn)口寬均滿足設(shè)計(jì)要求，不必再增高壩體和拓寬溢洪道，大大減少了工程投資[2]。

通過計(jì)算該下游灌溉調(diào)節(jié)水量，得到相應(yīng)水位范圍應(yīng)在1775.20～1777.67 m，而起調(diào)水位設(shè)計(jì)1776.40 m并不影響水庫(kù)興利要求，所以最終確定博斯坦水庫(kù)溢洪道進(jìn)口寬為19.0 m。

2.2 提高泄槽段通流能力方案比選

當(dāng)起調(diào)水位設(shè)計(jì)為1776.40 m、溢洪道寬為19.0 m時(shí)，只需提高泄槽段通流能力即可滿足泄洪需要，現(xiàn)可采取的方案有以下兩種，具體對(duì)比見表2[3]。經(jīng)比較，確定方案一為本項(xiàng)目最終施工方案。

方案一：泄槽段襯砌方案。原泄槽段底寬為12 m，現(xiàn)采用30 cm厚素混凝土襯砌，可降低泄槽段糙率至0.017，在泄流量、水深、縱坡、邊坡等相同前提情況下，可在現(xiàn)有底寬12 m情況下滿足安全下泄流量138.3 m3/s的要求。

方案二：泄槽段不襯砌方案。對(duì)現(xiàn)有泄槽段進(jìn)行清理以降低其糙率，包括清除坍塌土方、危巖、拓寬局部不足12 m地段等。通過計(jì)算(糙率設(shè)為0.03)，如果在底寬12 m現(xiàn)狀下，其安全下泄能力為79.7 m3/s，不滿足設(shè)計(jì)要求；只有底寬達(dá)到18 m才符合標(biāo)準(zhǔn)值，因此若采用不襯砌方案，則需拓寬泄槽底寬6 m。

表2 泄槽段襯砌和不襯砌兩方案對(duì)比

3 溢洪道各結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)口段通洪能力復(fù)核

根據(jù)設(shè)計(jì)，溢洪道進(jìn)口段不作處理，其長(zhǎng)15.0 m，寬19.0 m，采用C20混凝土襯砌，洪量Q計(jì)算見式(1)[4]。經(jīng)計(jì)算，溢洪道進(jìn)口段最大泄流量為142.3 m3/s，大于校核洪水需下泄流量138.3 m3/s，滿足泄洪要求。

(1)

式中：H0為 堰頂水頭，取值2.86 m；B為孔口寬度，取值19.0 m；m為寬頂堰流量系數(shù)，取值0.385；ε為側(cè)收縮系數(shù)，取值0.91。

3.2 泄槽段優(yōu)化設(shè)計(jì)

博斯坦水庫(kù)泄槽段設(shè)計(jì)分為三部分，每部分具體參數(shù)見表3。泄槽段每隔8 m設(shè)一道伸縮縫并在每段底板前后設(shè)防滑齒墻，以增加底板抗滑穩(wěn)定性和延長(zhǎng)滲徑(見圖1)。

表3 泄槽段具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)

圖1 底板下的防滑齒墻

3.3 陡坡段優(yōu)化設(shè)計(jì)

博斯坦水庫(kù)要求校核洪水下泄流量138.3 m3/s，以此為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)陡坡參數(shù)，也將其分為三部分，每部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)見表4(第三部分見消力池)。

表4 陡坡具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)

(1)臨界水深計(jì)算。臨界水深hk計(jì)算公式見式(2)[5]，經(jīng)計(jì)算博斯坦水庫(kù)陡坡段hk=2.40 m。

(2)

式中：q為渠道的單寬流量，取值11.6 m3/s；a為不均勻流速系數(shù)，取1.0；g為重力加速度，m/s2。

(2)水面曲線計(jì)算。本項(xiàng)目設(shè)陡坡起始斷面的臨界水深為開始水深，則水面曲線按照能量方程，采用分段求和法計(jì)算，計(jì)算式見式(3)[6]，分20段計(jì)算各斷面水面曲線，泄槽首端水深2.40 m(該處臨界水深)，末端水深h設(shè)計(jì)=0.673 m，水面曲線為b2型降曲線。

(3)

式中：h1、h2為斷面水深，m；V1、V2為對(duì)應(yīng)斷面平均流速，m/s；Δl為兩斷面間距離，m；i為陡槽坡度；J為平均水面坡降。

3.4 消能池優(yōu)化設(shè)計(jì)

陡坡段0+400～0+450段為消力池，消力池按照形式不同分為：下降式、消力坎式和綜合式三種(見圖2)。經(jīng)水力計(jì)算，博斯坦水庫(kù)溢洪道泄槽末端須進(jìn)行消能設(shè)計(jì)，采用綜合式消力池形式。

本項(xiàng)目消力池邊墻高度按池內(nèi)躍后水深加超高確定，邊墻設(shè)計(jì)采用梯形斷面(0.3～0.6 m)，高6.0 m；設(shè)計(jì)鋼筋混凝土矩形斷面，底寬12.0 m，底板厚0.6 m，長(zhǎng)30.0 m，邊墻高6.0 m；底板設(shè)置φ50間距1.0 m排水管，梅花狀布置，以排出上游陡槽滲水和地下水，降低底板揚(yáng)壓力；消力池每隔8.0 m設(shè)一道伸縮縫，并在每段底板前后設(shè)置防滑齒墻，增加底板抗滑穩(wěn)定性；消力池出口接20.0 m長(zhǎng)漿砌石海漫。

圖2 下降式(左)、消力坎式(中)和綜合式(右)消力池

4 結(jié) 語(yǔ)

溢洪道在洪水期對(duì)于水庫(kù)大壩運(yùn)行的安全穩(wěn)定性意義重大，而在平時(shí)則處于閑置狀態(tài)，這就造成很多地區(qū)對(duì)溢洪道建設(shè)不重視，造成洪水突然來臨時(shí)，溢洪道通洪能力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)值，水庫(kù)壩體承受水壓逐步增大，造成壩體結(jié)構(gòu)損壞甚至潰壩危險(xiǎn)。博斯坦水庫(kù)經(jīng)過對(duì)溢洪道除險(xiǎn)加固后，其通洪能力完全達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)值，很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。