泄水建筑物工程设计中需要注意的事项

2016-12-03湖南省水利水电勘测设计研究总院湖南长沙410000

低碳世界 2016年31期

关键词：溢流坝消力池高程

谢　勇（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410000）

泄水建筑物工程设计中需要注意的事项

谢勇（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410000）

泄水建筑物是水利水电工程建设的重要组成部分，为提高工程整体质量、降低返工概率，必须重视对于泄水建筑的设计，充分考虑其设计方案的合理性与数据计算准确性。本文结合某水利工程实例，探讨了其泄水建筑物的具体设计，希望对相关工作者有所帮助。

泄水建筑物；工程设计；注意事项

1　引言

泄水建筑物的设计，是一个系统性的工作，需要对工程部位、相关参数计算等环节，进行认真的分析与确认，从而设计出更加科学合理的施工方案，保证泄水建筑物建设质量，实现后期的稳定运行。

2　泄水建筑物工程概述

2.1概念

所谓泄水建筑物，是为了宣泄水库、涝区、河道、渠道中，超过了调蓄能力的洪水，或者为泄放水库、渠道内所留存的水，而设置的水工建筑物。泄水建筑物通常是与坝体相互结合在一起的，其形式包括各种溢流坝、坝身泄水孔；也可以将其设置于坝体外，例如各式岸边溢洪道、泄水隧洞等。

2.2常见泄水建筑物类型

泄水建筑物的类型通常可分为以下几种：①由水库放水溢洪道、泄水闸、泄水隧洞、泄水底孔以及泄水涵管组成；②由涝区排水排水闸、排水泵站组成；③由河道分泄洪水分洪闸与溢洪堤组成；④由渠道排泄洪水或多余水量泄水闸、退水闸组成；⑤拦河所修建的溢流坝与拦河闸。

2.3泄水建筑物设计原则

（1）应当尽可能保证泄水建筑物的超泄能力，及其运用的灵活性。

（2）在满足安全泄洪的同时，考虑到大坝与电站的安全、检修、放空、排污以及清淤保库等综合性使用要求，实现“表”、“深”结合的布置模式。

（3）尽量使导流建筑物与深孔泄洪洞紧密结合，降低工程投资。

（4）确定深孔泄洪洞型式、进出口高程、孔口尺寸后，校核洪水标准，从而确定“表”、“深”孔各自所承担的泄量。

（5）泄水建筑物设计必须充分考虑地形地质条件、水力条件、枢纽总布置及施工等因素，尽可能缩短线路，确保进出口边坡的稳定。

（6）如果工程水头较高，流速较大，泄水建筑物的明流段应当设计为直线，进出流的方向则需要顺应河势。

（7）因下游消能区河道狭窄，可选择合适的泄水建筑物实现消能，以减小单位面积的冲刷能量，以防出流对河床两岸的淘刷或顶冲。

3　泄水建筑物工程设计要点实例分析

3.1工程概况

辛女溪水库位于辛女溪白沙镇红岩村，坝址距泸溪县白沙新城约13km。坝址以上控制流域面积24.3km2，水库正常蓄水位196.6m，相应水库库容424万m3。工程等级为Ⅳ等小型工程，主要建筑物为混凝土挡水坝、溢流坝和灌溉用坝式进水口，按4级建筑物设计，合理使用年限为50年，设计洪水标准为30年一遇，设计洪峰流量为200m3/s，相应下泄流量179m3/ s，校核洪水标准为300年一遇，校核洪峰流量为322m3/s，相应下泄流量290m3/s；消能防冲设计洪水标准为20年一遇，洪峰流量为179m3/s，相应下泄流量157m3/s。

3.2工程环境概述

3.2.1流域概况

辛女溪为沅水的一级支级，发源于我省泸溪县境内的鸡屎咀，流经泸溪县庄屋岭、岩头洞、山脚下、下马寨，于汀流桥汇入沅水，流域面积34.1km2，河长16.8km，河流坡降15.0‰，整个流域地势西高东低、东西长而南北窄，海拔高程为110～600m。属典型的山区峡谷型河流，河谷基本对称，河流纵坡大，水流湍急，两岸冲沟发育，谷坡陡峻。

3.2.2气象

辛女溪流域属于亚热带季风气候，暖热多雨，冬冷夏热，四季分明。夏季降雨充沛，气候温暖湿润，冬季降雨较少，气候寒冷干燥，同时还具有年内、年际变化较大，类型多样，光热总量偏少等气候特征。

3.2.3洪水成因及特性

辛女溪流域洪水由暴雨形成，洪水变化特点与暴雨相应。具有明显的山区河流洪水特性：洪水历时短，峰型单瘦，暴涨暴落。

3.3泄水建筑物工程设计注意事项

3.3.1设计

①陡坡布置。一般情况下，在进行陡坡设计时，为保证其高流速水流平稳通过，应尽可能采取对称扩散或自线等底宽的布置方式。②进口处未设置连接段。进口处连接渐变段的主要作用在于给进口泄流创造良好条件。③出口处消能设计。出口消能设计多采用将出口槽向下伸延至河道正常水深处，以形成底流式消能。这种消能布置，出口水流波动不平顺，两侧出现大量漩涡，消能效果极为不理想，两侧边墙和挡浪墙基础因受淘刷而架空。

3.3.2工程地质

现建的山塘多位于山区，其地质条件不佳，山陡坡峻，岩石风化严重，部分山塘建于滑坡体附近，极易因泄洪或暴雨而引起滑坡和塌方，堵塞槽口，发生险情。

3.3.3管理问题

（1）修缮。泄水建筑物的冲刷破坏是个渐进的过程，在病害初期如及时采取修缮措施，可以避免多数较大的破坏。

（2）使用规范。有些村民在使用中，为抬高泄流或塘坝水位，私自于泄水槽内加设堰体，致使水力条件前后迥异，加速了水流对衬护层的冲刷破坏。

3.4泄水建筑物工程布置及设计要点

泄水建筑物由WES溢流堰、闸墩组成，溢流坝段布置在河床部分，全长38m，用重力坝与两岸相连接。堰顶高程196.60m，采用开敞式溢流表孔，共3孔，孔口宽10m。堰面为C25抗冲耐磨混凝土，溢流坝横缝布置在7#坝段和8#坝段之间，缝间上游面设两道止水。边闸墩厚2m，中闸墩厚2.0m，闸墩长5.5m，最大高程为201.0m。

3.4.1溢流堰断面设计

经对常规坝型的比较，高洪水位下“WES”实用堰泄洪能力较强，对枢纽布置有利，工程投资相对较省。故本次设计，堰面型式选定为“WES”实用堰。坝轴线以下堰面曲线采用方程式如下：

式中：Hs-定型设计水头，取Hs=2.5mk；k-系数，取k= 1.852；n-系数，取n=1.78。

得出溢流堰堰面方程为：

y=0.26422x1.78

上游堰面采用1：1斜线和单圆弧相连接，圆弧半径为1.125m，下游堰面曲线为幂曲线，其方程式为Y=0.26422x1.78，堰面曲线的下游接台阶，台阶末端接消力池，本工程采用台阶式底流消能，经计算分析确定的尺寸为：每个台阶宽0.75m，高1.0m，末端接反弧与消力池相接，反弧半径9.72m，消力池长32m。3.4.2溢流坝内廊道

溢流坝内廊道布置在溢流坝上游面应力较小的部位，应满足：帷幕灌浆、工程观测、交通巡视等要求，基础廊道底高程为137.73m，断面形状为城门洞型，宽2.5m，高3.5m，圆半径为1.25m，廊道中心线在坝轴线下游2m。

3.4.3堰体排水

溢流坝在运行期间，为了减少堰体内扬压力，在堰体内设置一道排水幕，排水幕采用排水孔，内径20mm，沿坝轴线方向间距2m，下端接入基础灌浆廊道。

3.5设计计算

3.5.1溢流坝泄流能力计算

溢流坝堰型为开敞式曲线型实用堰，按开敞式幂曲线实用堰的公式进行泄流能力计算，计算公式如下：

式中：Q-泄流量（m3/s）；B-溢流堰总净宽（m），取30m；b-单孔孔口净宽（m），取10m；n-闸孔数目（m），取3；c-上游堰坡影响系数，见《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）；m-流量系数；ε-侧收缩系数；σm-淹没系数，取1；ξ0-中墩形状系数，取0.45；ξk-边墩形状系数，取0.7；H0-计入行近流速水头的堰上水头（m）。

3.5.2消能设计

溢流坝消能是通过工程措施消除下泄水流的余能，稳定下游水流流态，使下游水流尽快恢复到天然状态，以确保坝基和两岸岸坡不被冲刷破坏，保护建筑物的安全。根据《水利水电工程等级划分及防洪标准》（SL252-2000）规定，消能防冲建筑物洪水标准按20年一遇洪水设计。

（1）计算资料

本工程采用WES堰泄洪，消能防冲按20年一遇设计。消能方式采用台阶式底流消能，台阶步高1m，步长0.75m，接反弧半径9.72m。

（2）计算公式

完全发展的跌流流态判别式为：

由跌流过渡到分离流的判别式为：

式中：dc-临界水深，m；q-单宽流量，m3/s；h-台阶步高，取1.0m；l-台阶步长，取0.75m。

按分离流进行水力学计算，计算公式如下：

式中：q-单宽流量，m3/s；dc-临界水深，m；d0-均匀掺气水流的水深，（m）。

跌坎消能计算结果见表1所示。

消力池消能计算采用以下公式：

式中：E0-以下游河床为基准面的上游总能头；hC-收缩断面水深（m）；q-过闸单宽流量（m3/s/m）；φ-流速系数，取0.95。

跃后水深计算公式：

式中：hC″-跃后水深（m）；α-动能修正系数。

水跃淹没系数计算公式：

式中：σ″-水跃淹没系数；hs′-下游河床水深（m）；d-消力池深度（m）；ΔZ-出池落差（m）。

自反弧末端起算的消力池长度：

L=βLj

式中：Lj-自由水跃长度（m）；β-水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8。

（3）计算结果

以水跃淹没系数大于1.05为控制条件进行消力池设计，经计算消力池深2.0m、池底高程142.0m，池长32.0m。经计算，溢洪道下游未端反弧段最大流速为9.49m/s，小于20m/s，不属于高速水流。

（4）消力池结构设计

消力池池底高程142.0m，池长32.0m，底板厚度1.5m，末端设尾坎，尾坎顶部高程145.00m。消力池底板下设间排距3m的锚筋，池后设20m长、1m厚的浆砌石护坦与河床面衔接。为减轻水流对右岸边坡的冲刷，在消力池下游右岸398m范围内和左岸54m范围内的边坡坡脚采用浆砌石挡墙进行防护。浆砌石挡墙高4m，顶部高程147～140m，顶宽0.8m，底宽1.3m，内坡比1：0.5，基础较河床最低处埋深1m。