博斯坦水库溢洪道除险加固方案比选及优化设计

李金红

(乌鲁木齐市水利勘测设计院(设计有限公司)，新疆 乌鲁木齐 830034)

溢洪道是水库等水利建筑的重要防洪设备，一般建于水坝一侧，呈槽状，当水库水位超过安全限度时，则水可以从溢洪道流向下游，可防止坝体因承压过大而损坏。确保溢洪道结构稳定和行洪安全对于提高水库大坝防洪能力意义重大，因此必须重视溢洪道各个结构部分的运行状况。

1 工程概况

博斯坦水库位于昌吉回族自治州木垒县城以东45 km处前山区博斯坦河上，水库修建于1997年，坝型为复合土工膜防渗堆石坝，总库容约为285万m3。博斯坦水库枢纽主要由大坝、放水涵管、溢洪道组成，其中溢洪道形式为正槽开敞式，设计最大下泄流量127.5 m3/s，进口段为喇叭形式，后接未衬砌明渠泄槽段，两岸土体实际削坡为1∶0.6～1∶1，未达到设计值1∶1.5。溢洪道部分地段存在垮塌、坍塌危险，需进行除险加固。

2 溢洪道各结构除险加固方案比选

2.1 起调水位和进口段宽度确定

为保障水库安全蓄水(兴利库容)，一般遵循原则为：采用正常蓄水位作为起调水位，通过改造溢流堰等措施加大泄量，尽量减少对兴利的影响[1]。因此，本项目首先对设计、校核洪水进行调洪演算，由此得出所需坝顶高程、溢洪道进口宽度等重要参数。计算成果见表1。

表1 水库不同起调水位、不同进口宽对应最大下泄流量及与坝顶关系

博斯坦水库溢洪道原宽19.0 m，由表1可知：当设定起调水位为1776.40 m、溢洪道进口宽为19.0 m时，原坝顶高程和溢洪道进口宽均满足设计要求，不必再增高坝体和拓宽溢洪道，大大减少了工程投资[2]。

通过计算该下游灌溉调节水量，得到相应水位范围应在1775.20～1777.67 m，而起调水位设计1776.40 m并不影响水库兴利要求，所以最终确定博斯坦水库溢洪道进口宽为19.0 m。

2.2 提高泄槽段通流能力方案比选

当起调水位设计为1776.40 m、溢洪道宽为19.0 m时，只需提高泄槽段通流能力即可满足泄洪需要，现可采取的方案有以下两种，具体对比见表2[3]。经比较，确定方案一为本项目最终施工方案。

方案一：泄槽段衬砌方案。原泄槽段底宽为12 m，现采用30 cm厚素混凝土衬砌，可降低泄槽段糙率至0.017，在泄流量、水深、纵坡、边坡等相同前提情况下，可在现有底宽12 m情况下满足安全下泄流量138.3 m3/s的要求。

方案二：泄槽段不衬砌方案。对现有泄槽段进行清理以降低其糙率，包括清除坍塌土方、危岩、拓宽局部不足12 m地段等。通过计算(糙率设为0.03)，如果在底宽12 m现状下，其安全下泄能力为79.7 m3/s，不满足设计要求；只有底宽达到18 m才符合标准值，因此若采用不衬砌方案，则需拓宽泄槽底宽6 m。

表2 泄槽段衬砌和不衬砌两方案对比

3 溢洪道各结构具体设计

3.1 进口段通洪能力复核

根据设计，溢洪道进口段不作处理，其长15.0 m，宽19.0 m，采用C20混凝土衬砌，洪量Q计算见式(1)[4]。经计算，溢洪道进口段最大泄流量为142.3 m3/s，大于校核洪水需下泄流量138.3 m3/s，满足泄洪要求。

(1)

式中：H0为 堰顶水头，取值2.86 m；B为孔口宽度，取值19.0 m；m为宽顶堰流量系数，取值0.385；ε为侧收缩系数，取值0.91。

3.2 泄槽段优化设计

博斯坦水库泄槽段设计分为三部分，每部分具体参数见表3。泄槽段每隔8 m设一道伸缩缝并在每段底板前后设防滑齿墙，以增加底板抗滑稳定性和延长渗径(见图1)。

表3 泄槽段具体结构和参数

图1 底板下的防滑齿墙

3.3 陡坡段优化设计

博斯坦水库要求校核洪水下泄流量138.3 m3/s，以此为标准设计陡坡参数，也将其分为三部分，每部分结构和参数见表4(第三部分见消力池)。

表4 陡坡具体结构和参数

(1)临界水深计算。临界水深hk计算公式见式(2)[5]，经计算博斯坦水库陡坡段hk=2.40 m。

(2)

式中：q为渠道的单宽流量，取值11.6 m3/s；a为不均匀流速系数，取1.0；g为重力加速度，m/s2。

(2)水面曲线计算。本项目设陡坡起始断面的临界水深为开始水深，则水面曲线按照能量方程，采用分段求和法计算，计算式见式(3)[6]，分20段计算各断面水面曲线，泄槽首端水深2.40 m(该处临界水深)，末端水深h设计=0.673 m，水面曲线为b2型降曲线。

(3)

式中：h1、h2为断面水深，m；V1、V2为对应断面平均流速，m/s；Δl为两断面间距离，m；i为陡槽坡度；J为平均水面坡降。

3.4 消能池优化设计

陡坡段0+400～0+450段为消力池，消力池按照形式不同分为：下降式、消力坎式和综合式三种(见图2)。经水力计算，博斯坦水库溢洪道泄槽末端须进行消能设计，采用综合式消力池形式。

本项目消力池边墙高度按池内跃后水深加超高确定，边墙设计采用梯形断面(0.3～0.6 m)，高6.0 m；设计钢筋混凝土矩形断面，底宽12.0 m，底板厚0.6 m，长30.0 m，边墙高6.0 m；底板设置φ50间距1.0 m排水管，梅花状布置，以排出上游陡槽渗水和地下水，降低底板扬压力；消力池每隔8.0 m设一道伸缩缝，并在每段底板前后设置防滑齿墙，增加底板抗滑稳定性；消力池出口接20.0 m长浆砌石海漫。

图2 下降式(左)、消力坎式(中)和综合式(右)消力池

4 结 语

溢洪道在洪水期对于水库大坝运行的安全稳定性意义重大，而在平时则处于闲置状态，这就造成很多地区对溢洪道建设不重视，造成洪水突然来临时，溢洪道通洪能力达不到标准值，水库坝体承受水压逐步增大，造成坝体结构损坏甚至溃坝危险。博斯坦水库经过对溢洪道除险加固后，其通洪能力完全达到了标准值，很好地达到了设计目标。