土门子水库泄水设施加固方案设计

王博文

(辽宁润中供水有限责任公司,辽宁 沈阳 110166)



土门子水库泄水设施加固方案设计

王博文

(辽宁润中供水有限责任公司,辽宁 沈阳 110166)

针对辽宁省土门子水库溢洪道存在的问题，提出了具体的加固方案，确定了拓宽溢洪道、重建溢流堰、增设消能设施的具体加固措施。工程完工后的良好运行效果验证了加固方案的正确性与合理性。

土门子水库；溢洪道；加固方案

1　土门子水库基本情况

1.1水库概况

土门子水库位于辽宁省凤城市境内大洋河支流牛河中游，建于1978年。水库控制流域面积276.3km2，设计库容1.86亿m3，平均水深15.5m。土门子水库的主坝为浆砌石重力坝，坝长319.2m，最大坝高36.6m。副坝为黏土斜墙坝，坝长32m，坝高8m。水库的主要功能为防洪和灌溉，水库的防洪保护面积为0.87 万hm2，可以有效保护坝址下游5个乡镇，近11万人的安全。土门子水库设计灌溉面积为1.44 万hm2，养鱼水面0.09 万hm2，为当地的工农业生产及社会稳定做出了积极贡献。

1.2水文地质特征

土门子水库流域形状呈扇形，地势西北高东南低，流域内海拔高度在157～370m之间，相对高差约200m，其中坝址处地面标高185m。该流域多年平均降雨量854.6mm，降雨的年际、年内变化较大，最大年降雨量为1514.5mm，最小年降雨量为561.2mm。年内降雨集中于6—9月份，特别是7月、8月两月的降雨量约占全年降雨量的51.3%。

土门子水库的坝址区属于低山丘陵区，大部分地段基岩裸露，该段牛河总体自东向西流，河床不宽，但是地貌较为复杂。坝址区裸露地层主要为远古代土门组砂岩、泥灰岩以及砂质页岩，第四纪岩层主要分布于坡脚与河床。

2　泄水设施加固方案设计

2.1溢洪道现状及存在的问题

土门子水库的溢洪道位于大坝左岸，为开敞式溢洪道设计，全长150.5m，最大泄洪量为657m3/s。溢洪道的现状为浆砌石折线堰，堰宽22.5m，堰顶高程为179.5m。由于水库修建年代较早，设计标准不高，加之长时间运行，溢洪道存在较多问题，主要表现为：溢洪道宽度过窄，难以满足P=1%以上洪水的泄洪要求，且右岸的山体风化较为严重，影响溢洪道的运行安全；溢洪道左岸的导流墙设计不规范，并且比较单薄；溢洪道的溢流堰为浆砌石结构，但是砌筑质量不高，且与山体相连之处存在明显的渗水现象；溢洪道整体设计较为简单，下游没有消能设施，洪水期大量泄洪的情况下，下游回水会冲刷坝脚，对坝体的安全产生潜在威胁。土门子水库溢洪道的上述问题，已经影响到水库的安全度汛，因此亟待进行加固。

2.2溢洪道的加固设计方案与参数计算

2.2.1溢洪道的总体布置与工程加固措施

根据土门子水库的实际情况，加固后的溢洪道仍然采用开敞式设计思路[1]。整个溢洪道设计为4部分，分别是：进口段，桩号为0-030～0+000；控制段，桩号为0+000～0+010；泄槽段，桩号为0+010～0+100；消能段，桩号为0+100～0+130。

加固的主要工程措施包括以下几个：

(1)原来的溢洪道过窄且右侧山体风化严重，因此将溢洪道向右侧拓宽，使总宽达到25m。

(2)将浆砌石溢流堰拆除重建，断面采用WES曲线。

(3)将溢洪道左岸的浆砌石导流墙拆除重建，背水面坡比设计为1∶0.5，重建时使用M10水泥砂浆，挡水墙迎水面利用M10水泥砂浆勾缝。

(4)新建下游挑流消能设施。

(5)为避免泄洪回水冲刷坝脚，在主河槽坝后新建浆砌石挡土墙。

(6)彻底清除溢洪道下游河道内的树木、垃圾等影响泄洪的杂物，确保水库行洪安全。

2.2.2进口段

加固后的土门子水库溢洪道进口段长30m，桩号为0-030～0+000。上游宽42m，沿水流方向到控制段入口处逐步收窄为25m，需要拓宽的部分由右岸风化山体开挖获得，开挖后对右岸边坡进行必要处理，使边坡稳定性达到相关设计要求[2]。在进口段左岸新建浆砌石挡土墙，坡比设计为1∶0.3。

2.2.3控制段

加固后的土门子水库溢洪道控制段长10m，桩号为0+000～0+010。控制段的溢流堰设计标准低且年久失修渗水严重，因此需要拆除重建。重建后的溢流堰堰顶高程为179.5m，总净宽为25m。根据溢流堰的相关设计经验，这种坝顶式实心溢流堰的剖面线主要有克-奥曲线和WES曲线两种[3]。其中，克-奥曲线施工放样不方便，同时其确定的剖面经常超过稳定与强度要求，而WES曲线剖面小，具有便于放样、流量系数大等优点[4]，因此本次加固设计中拟采用WES曲线。WES曲线溢流面方程为：

(1)

式中:X、y为以堰顶为原点的坐标；Hd为定型设计水头；K为与上游坝面坡度有关的系数；n为与上游坝面坡度有关的指数。当上游坝面铅直时，K取2.0，n取1.85。

结合土门子水库的工程实际，溢流堰剖面WES曲线方程为：

(2)

工程设计溢流堰堰体的基础厚度为0.7m，深入溢流段基岩。土门子水库P=0.2%时校核洪水水位为183.74m，因此溢流堰堰前的最大水位差为183.74-179.50=4.08m，根据水力学堰上设计水头的相关规定，Hd=(0.75～0.95)Hmax，该工程取系数为0.85，计算得Hd=3.47m。堰体表面为30cm厚的C25现浇混凝土，内部为M10水泥砂浆砌筑体。溢流堰的前部、顶部和后部均利用M10砂浆勾凸缝。溢流堰设计剖面图如图1所示。

图1　溢流堰工程设计剖面图

2.2.4泄槽段

加固后的土门子水库溢洪道泄槽段长90m，桩号为0+010～0+100。加固中将左岸的导流墙拆除，重建M10浆砌石重力挡土墙。对右侧山体进行拓宽开挖，使泄槽段底宽达到25m，边坡比设计为1∶1，必要时采取工程措施，确保山体稳定。

(1)水面线计算。泄槽段水流属于明渠非均匀水流，因此水面线计算采用分段求和法进行。计算公式采用《溢洪道设计规范》(SL253—2000)附录中的公式进行计算。

(3)

式中:Δl1-2为分段长度,m；h1为分段始断面水深,m；h2为分段末断面水深,m；υ1为分段始断面平均流速,m/s；υ2为分段末断面平均流速,m/s；θ为泄槽底坡角度，(°)；α1、α2为流速分布不均匀系数，取1.0；i为泄槽底坡坡度；J为平均摩阻坡降。

(2)泄槽边墙高程计算。

依据《溢洪道设计规范》(SL253—2000)中关于泄槽边墙高度的设计要求，其高程应该按计入波动和掺气后的水面线加上一定的超高确定。其中校核水位下加0.5m，标准水位下加1.0m，以两者之中的最大值作为边墙的设计高程。波动及掺气后的水深按式(4)计算[6]：

(4)

式中:hb为泄槽计算断面的波动和掺气水深,m；h为泄槽计算断面的水深,m；υ为泄槽计算断面的平均流速,m/s；ζ为计算修正系数，取1.2s/m。

根据计算结果与现场地形综合考虑，最终确定泄槽边墙的高度为4.0m。

2.2.5消能段

加固后的土门子水库溢洪道消能段长30m，桩号为0+100～0+130。根据水库溢洪道现场的地形条件，采用挑流消能形式，底部采用厚30cm的钢筋混凝土。

(1)挑流鼻坎的设计。

挑流鼻坎的作用在于对洪水进行消能并将其送入下游出水渠[7]。依据《溢洪道设计规范》(SL253—2000)的相关规定，在保证能形成自由挑流，发挥其消能作用的前提下，挑坎的高程要与下游最高水位平齐或略低，结合土门子水库消能段的实际情况，确定坎顶的高程为169.6m，齿墙底高程为164.5m。

土门子水库消能段的挑坎设计为连续等宽式，这种挑坎的反射弧半径为反弧最低点水深最大值的6～12倍[8]。结合工程实际与相关数据，确定反弧半径R=4.95m，反弧最低点的高程为168.56m，挑射角为37.69°，其上游与泄流槽底板相切。

(2)挑坎水力计算。

挑流水舌的外缘挑距利用《溢洪道设计规范》(SL253—2000)附录A中的公式进行计算。

(5)

式中：L为挑流水舌外缘挑距,m；g为重力加速度；υ1为挑流鼻坎顶面平均流速,m/s；θ为挑流水舌出射角，此处取鼻坎挑角37.69°；h1为挑流鼻坎末端水深,m；h2为挑流鼻坎到冲刷坑最低点的高程差,m。

利用上述公式计算得挑距L=16.1m。

水库溢洪道消能段全长30m，底部总净宽25m，采用厚30cm钢筋混凝土。其中底部为5cm厚的C10混凝土垫层，上部为25cm厚的C25钢筋混凝土结构，该层设置有两道钢筋网，其中面层设计为间距20cm的Φ12钢筋，双向布置；底层设计为间距20cm的Φ10钢筋，双向布置，钢筋保护层为2.5cm。设计完成的挑流坎纵剖面图如图2所示。

图2　挑流坎纵剖面图

根据施工设计前的地质调查，土门子水库溢洪道下游基岩裸露，且完整性好，具有较强的抗冲刷能力，所以溢洪道下游的河床不必采取工程保护措施。对于加固施工前溢洪道内洪水回流到坝后的情况，此次溢洪道加固施工过程中，设计在水库大坝主河槽段坝后新建长60m、高2.8m的浆砌石重力式挡土墙，其结构如图3所示。

图3　挡土墙断面图

3　结　论

土门子水库除险加固工程于2013年汛前全部结束。根据加固设计，溢洪道在原有基础上拓宽至25m，拆除原有的溢流堰后，重建了高标准的WES溢流堰，并在下游增建了挑流消能设施，在加固过程中严格按照设计要求施工建设。工程完工的当年汛期，大洋河流域就连降暴雨，土门子水库上游来水超过历年平均水平，水库溢洪道连续运行多日。经相关技术人员现场查看，溢流堰过流量明显增加，同时溢洪道内水流平稳，下游的消能设施运行正常，各项数据与设计要求基本吻合，验证了溢洪道加固设计方案的正确性。

[1]李水生，李晓彬，申显柱.开敞式宽大单泄槽溢洪道优缺点浅析[J].珠江水运，2014(21):66-67.

[2]李国文，司学成，郭友文.西泉眼水库溢洪道进口山体喷锚加固施工方法[J].黑龙江水利科技，2014(4):106-107.

[3]杨晓凌，杨晓明.溢洪道溢流堰选型的探究[J].内蒙古科技与经济，2012(5):103，105.

[4]郭维东，刘旭冉，李晓东,等.WES堰消力池底板脉动压力与噪声耦合试验[J].人民黄河,2013(11):130-132.

[5]中华人民共和国国家经济贸易委员会.溢洪道设计规范[M].北京：中国电力出版社,2003.

[6]黄智敏，朱红华，何小惠，等.溢洪道阶梯陡槽段水深试验与计算探讨[J].水动力学研究与进展,2007,22(6):782-789.

[7]张俊，刘飞鹏，邱勇，等.泄流建筑物异型挑流鼻坎三维设计研究[J].水电能源科学，2015(7):97-100.

[8]洪新，刘亚坤，倪汉根.拱坝挑流坎的优化与水垫塘底板压强研究[J].水利与建筑工程学报，2011(5):77-81.

王博文(1984-),男，工程师,主要从事水利运行调度工作。

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