旮旯水电站溢流坝设计综述

李佑杰

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

旮旯水电站是一座小水电代燃料引水式电站工程。经现场踏勘，结合工程场址的地形、地质、工程布置、工程量、施工条件、投资等综合比较后确定工程取水枢纽的坝址选在交城县会立乡田家沟村南1 km处文峪河干流上河流弯道的下游侧，西社乡野则河村北2 km处文峪河干流右岸的旮旯滩上。设计引水流量6 m3/s，主要建筑物包括溢流坝、冲沙闸、进水闸、引水渠道、引水隧洞、压力前池、压力管道、电站厂房和交通桥等。

在取水枢纽处垂直水流方向建有长53.0 m、最大坝高为5.4 m、底宽8.8 m、顶宽1.91 m，坝顶高程970.90 m的浆砌石溢流坝，溢流坝左岸坝头处平行水流方向设重力式浆砌石挡墙。

2 工程等别和标准

旮旯水电站装机容量1 500 kW，多年平均发电量470万kW·h，属小（二）型工程，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物为5级，次要建筑物为5级，临时性建筑物为5级。

旮旯水电站为无压引水式水电站，依据《小型水力发电站设计规范》，取水枢纽、引水渠道、水电站厂房等建筑物的防洪标准为20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。20年一遇设计洪水标准时，洪峰流量327 m3/s，对应水位972.75 m；50年一遇校核洪水标准时，洪峰流量776 m3/s，对应水位974.28 m。

根据《中国地震动峰值加速度区划图》及《中国地震动反应谱特征周期区划图》，工程区所在地地震动峰值加速度值为0.15 g，反应谱特征周期0.40 s，地震基本烈度为7°，建筑物抗震设防烈度为7°。

3 溢流坝设计

为方便取水并尽量使泥沙不进入引水渠道，对取水口位置的地形地貌、地层岩性、地质构造、坝基渗漏、绕坝渗漏及渗透稳定等进行深入细致的分析后，确定在垂直文峪河河道主水流方向设拦河溢流坝，在溢流坝右岸布置冲沙闸及进水闸。

溢流坝最大坝高5.4 m，坝轴线长53.0 m，河床高程968.50 m，坝基高程965.50 m，坝顶高程970.90 m，顶宽1.91 m，坝体最大宽度8.8 m，上游坝面设为垂直，溢流坝面采用Ⅲ型折线实用堰接半径为6.54 m的反弧流线型坝面，消能采用底流消能结构型式。坝体结构采用M7.5浆砌石，坝面采用0.3 m厚的C30钢筋混凝土护面。消力池长15 m，深1.0 m，尾坎顶宽0.6 m，底面高程967.70 m，采用M7.5浆砌石结构，后接浆砌石、格栅石笼海漫及抛石防冲槽。长度分别为10 m，20 m和10.46 m，厚度分别为0.6 m，0.8 m和2 m（最深处），抛石防冲槽上游坡度 1∶4，下游坡度 1∶2，底部中间平直段宽2 m。消力池及海漫段表面设置排水孔，排水孔间距2 m，梅花形布置，采用直径50 mm的PVC排水管，底部铺设0.2 m厚碎石反滤层。结合溢流坝伸缩缝，消力池中部设2道伸缩缝，跨度分别为18 m，18 m和17 m，缝宽2 cm，缝内填塞聚乙烯闭孔泡沫塑料板，外部用沥青砂浆密封。

由于进水闸和冲沙闸均位于溢流坝右侧，省道祁方线（S320）位于溢流坝左侧，在溢流坝顶面设置人行钢筋混凝土墩，墩台间距0.5 m，墩台宽0.35 m，中部直段长0.65 m，两侧为半圆形构造，半径0.175 m，净高0.3 m。

溢流坝段左侧设重力式M7.5浆砌石防洪堤，顶宽0.5 m，临河侧地面以上净高3.88 m，地面以下6.1 m防渗刺墙，迎水面直立，背水面坡度1∶0.5，溢流坝段防洪堤长7 m。

为避免坝基渗透破坏，坝基采用高压定喷防渗墙，防渗墙伸入基岩1.0 m。防渗墙结构型式为定喷折接，喷射方向与墙体轴线夹角20°，利用三管法施工。

3.1 溢流坝水力计算

溢流坝为无调蓄工程，按20年一遇洪水标准设计，50年一遇洪水标准校核。

按开敞式溢流堰泄流公式计算：

式中：Q——流量，m3/s；

B——溢流堰净宽，m；

Hw——计入行进流速的堰上总水头，m；

g——重力加速度，m/s2；

m——流量系数；

c——上游面坡度影响修正系数，当上游面为铅直面时，取1.0；

ε——侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，取 0.90～0.95；

σs——淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时，取1.0。

根据防护对象，洪水全部从溢流堰和冲沙闸通过，20年一遇设计洪水时堰顶水位高程为972.75 m，过堰流量为265 m3/s；50年一遇校核洪水时堰顶水位高程974.28 m，过堰流量731 m3/s。

3.2 溢流坝稳定计算

3.2.1 设计依据

根据《砌石坝设计规范》中的要求和溢流坝实际运用情况，溢流坝稳定计算工况有冰冻情况和地震情况两种。

3.2.2 荷载及荷载组合

作用在坝体上的荷载有自重、垂直水压力、冰压力、扬压力、淤积土压力、上游静水压力作用，分为基本荷载和特殊荷载两种。

3.2.3 抗滑稳定安全系数

根据溢流坝地质资料可知，坝基下持力层范围内不存在软弱夹层和软弱结构面，在岩层结构上不存在不稳定因素，因此不存在深层滑动问题。

根据《砌石坝设计规范》，溢流坝体抗滑稳定计算选取最不利的坝段，取单宽1 m进行计算。经计算，基本组合工况时，抗滑稳定安全系数为1.53，大于允许值1.2；特殊组合工况时，抗滑稳定安全系数为1.07，大于允许值1.0，说明溢流坝是稳定的。

3.2.4 溢流坝渗流稳定计算

依据《碾压式土石坝设计规范》要求，此次渗流计算考虑以下工况：临水侧为最高挡水位，背水侧为相应水位。

渗流计算采用北京理正软件开发公司编制的《渗流计算分析软件》，计算方法采用有限元法，计算断面为枢纽溢流坝断面。

计算参数根据地质提供资料确定，坝基最大水力比降见表1。

表1 坝基最大水力比降计算结果

由表1计算结果可以看出，各水位下坝基处的出逸点渗透比降均小于允许水力比降，表明溢流坝渗流是稳定的。