渠首枢纽溢洪道放水工程改建设计方案分析

柏 剑

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局，陕西 咸阳 712000）

1 工程概况

宝鸡峡林家村渠首枢纽工程位于宝鸡市以西11 km的渭河谷出口处，是全灌区抗旱防汛的枢纽和“龙头”所在，地位举足轻重。其拦截上游渭河来水形成林家村高坝水库，现设计洪水标准50年一遇，设计洪水位625.9 m，校核洪水标准500年一遇，校核洪水位635.2 m。冲砂闸位于枢纽大坝输水隧洞出口沉砂槽末端，包括冲砂闸和进水闸两部分，冲砂闸出口直接进入渭河，进水闸下接宝鸡峡引渭灌区塬上总干渠。溢洪道位于大坝右岸，由进口段、平流段组成，进口高程615 m，总长161 m。梯形断面，底宽4.0 m，高2.0 m，边坡坡比1∶1。进口段、平流段全部采用浆砌石衬砌，沿程比降8/1000。消能设施因为水毁不复存在。建筑物所处地貌为基岩谷坡与黄土状土谷底过渡带，地形较完整，岩性单一，层位稳定。从溢洪道出口水毁断面显露，进口和平流段，地基及边坡岩性均为残、坡积黄土状土(Q3el+dl)，出口（陡坡）段岩性亦为残、坡积黄土状土(Q3el+dl)，夹结核和岩石碎块。经过多年运行出现溢洪道水毁破损等诸多安全隐患，急需进行改造加固。

2 溢洪道加固工程设计

林家村渠首溢洪道位于大坝右岸，无堰控制，为宽浅式梯形土槽，2008年在原形状基础上进行简单砌护，溢洪道底部及边墙均为浆砌石砌护。溢洪道底宽4.5 m～4.0 m，边墙高2.0 m，已砌护120 m，无消能设施，底板高程为613 m。现有溢洪道在泄洪中水毁破坏严重，底板砌体出现剥离、脱落和松动，出口被冲垮，大块整体浆砌体被冲出5 m多远。所以，溢洪道现状已不能满足防汛正常泄洪要求，需要进行改造修缮。

2.1 设计方案

根据林家村高坝水库溢洪道现状和地理条件，设计采用无闸控制的开敞式宽顶堰结构型式，堰顶宽仍为4.5 m，高程为615 m，同时增建泄水消能设施，以提升工程防抗洪水能力和使用寿命。改造加固后溢洪道工程由进口段、控制段、泄槽段、消力池及尾水渠组成，长161.0 m。

2.2 溢洪道控制段水力计算

工程设计根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2000），对其宽顶堰实际泄流能力进行计算，公式为：

式中：B为每孔净宽；H0为包括行近流速水头的堰前水头，即为不计入行进流速的堰上水头；Vo为平常时段的水闸库容；m为二元水流宽顶堰流量系数；ε为侧收缩系数。

对梁塬水闸，ε＝1，根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000），其流量系数m取0.36，由此可求得溢洪道不同水位下的泄流量。

经计算，林家村渠首枢纽溢洪道在设计洪水位625.9 m时，泄流量为3590 m3/s，校核洪水位635.2 m时，泄流量为6620 m3/s，均符合工程设计值，故能满足实际泄洪要求。

2.3 溢洪道进口段设计

为提高结构稳定性，降低洪水对底部的冲刷，溢洪道进口段采用喇叭口型式，并把原底宽由13.0 m收缩至4.5 m，比降为1∶100。底板采用C25砼衬砌，首端设齿墙，入土深度为0.5 m，边墙（0+000.0～0+005.00）段为原M7.5浆砌石斜坡式挡墙，根据运行状况和现场勘查，需进行加高0.5 m。（0+005.00～0+010.00）段为拆除新建扭面段，顶宽0.5 m。

2.4 溢洪道控制段设计

根据实际条件和工程设计规范，此溢洪道控制段堰型为无闸控制的开敞式宽顶堰，堰顶高程615 m，堰顶净宽仍为4.5 m，高2 m，堰顶顺水流方向长度为10 m。堰顶采用C25砼进行衬砌，边墙为浆砌石重力式挡墙，背坡比3∶1，底板前趾宽0.3 m，墙背回填土夯实。

2.5 溢洪道明渠段设计

此溢洪道明渠段比降1∶70，底宽4.5 m～4.0 m，长80.0 m，高2 m，设计拆除原底板及边墙，底板采用C25砼浇筑，厚0.3 m。边墙为浆砌石重力式挡墙，墙背回填土夯实。

2.6 溢洪道泄槽段设计

泄槽段断面设计为矩形，底宽4.0 m，纵坡1∶4，总落差9 m。泄槽底板始端厚30 cm，末端厚50 cm，为C25钢筋砼。设计顺水流方向每隔10 m设一条横缝，与边墙底板交接处设两条纵缝。横缝采用平缝，用橡胶止水，缝内嵌沥青砂板条。纵缝采用平缝，缝内嵌沥青杉板，对两侧边坡采用M7.5浆砌石进行砌护。

泄槽段水面线计算时，将泄槽分为4段5个断面用能量方程分段求和法来计算水面线。起始计算断面定在泄槽首端，其水深h1为临界水深，用下式计算：

式中：hk为临界水深，m；q为单宽流量，q=Q/b，m3/（s·m）；α为流速分布不均匀系数，采用1.05。

泄槽段水面曲线分段求和法计算公式如下：

式中：Δl为分段长度，m；ΔEs为分段始、末断面单位能量之差，m；ΔEs1、ΔEs2为分段始、末断面单位能量，m；h1、h2为分段始、末断面水深，m；v1、v2为分段始、末断面平均流速，m/s；α1、α2为流速分布不均匀系数，取1.05；θ为泄槽底坡角度，θ=14.04°；i为泄槽底坡，此处i=sinθ；为分段内平均水力坡度；v为分段平均流速，v=（v1+v2）/2，m/s；为分段平均水力半径，R=（R1+R2）/2，m；n为槽身糙率系数，n=0.017。

根据计算结果，校核设计时泄槽末端流速大于10 m/s,故需考虑水流掺气对水深的影响。

泄槽段波动及掺气水深可按《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）中的下式估算：

式中：hb为计入波动及掺气水深，m；h为未计入波动及掺气水深，m；v为未计入波动及掺气的计算断面上的平均流速，m/s；ξ为修正系数，取1.4。

溢洪道边墙安全超高取0.5 m，最终求出各段边墙高度（见表1）。边墙采用M7.5浆砌石重力式挡土墙，背坡比3∶1。

表1 泄槽段边墙高度计算成果表

2.7 溢洪道消力池设计

根据林家村冲砂闸溢洪道地形和工程地质条件，消能防冲设施采用消力池底流式消能，消力池同泄槽末端等宽为4.0 m的矩形消力池。据统计，国内外绝大部分水利工程实际最大泄量仅为设计泄量的一半，约相当于2年~20年一遇的洪水流量；因为罕遇洪水出现的概率很小，持续时间很短，而消力池建设经济成本占比较高，故《溢洪道设计规范》规定，消能防冲建筑物设计标准，只要不危及大坝和主要建筑物的安全，可以适当降低。据此，本着经济合理、实用的原则，消力池设计洪水标准确定为20年一遇。

消力池跃前水深为泄槽末端水深，跃后水深按下式计算：

式中：hc″为跃后水深，m；Frc为佛汝德数。

水跃长度L、消力池池深s、池长Lk分别按下式计算，其中水跃长度公式适用范围为Frc=1.7~9.0。

式中：L为水跃长度，m；Lk为消力池长度，m；s为消力池池深，m；σ为保证池内水跃稍有淹没的安全系数，一般采用1.05~1.10；t为下游渠道水深，m；Δz为消力池出口水面跌差，m；φ′为水流由消力池进入下游渠道时的流速系数，一般情况下采用0.95；t′为池末水深，m。

按以上公式计算的消力池参数见表2。据此确定消力池池深为0.5 m，池长为11 m。

表2 消力池计算成果表 单位：m

根据消力池计算结果跃后水深hc″为2.29 m，池深0.5 m,以保证泄流安全稳定为原则，合理加高0.11 m，确定消力池边墙高2.9 m，采用M7.5浆砌石重力式挡土墙，墙背回填土。并对两侧边坡采用M7.5浆砌石进行砌护。

3 放水设施改建

放水设施位于大坝中间偏左岸部位，取水卧管位于迎水坡坝面。因为取水卧管地基为大坝填筑土，产生不均匀沉降，引起卧管损坏，砼盖板、浆砌石边墙多处破损裂缝，且取水卧管年久失修，上部圆型进水孔取水操作不安全，木塞止水效果不佳；涵洞局部出现裂缝、漏水；引水渠部分段浆砌石边墙多处破损。所以需要改建。

3.1 放水工程设计

1）卧管

原卧管为立面进水，孔径0.3 m，台阶高 0.3 m，坡比i=1∶2.5，底宽0.6 m，高0.694 m，存在取水操作不安全和对管径冲刷较大的不足。本次设计改为侧面进水，闸孔0.4 m×0.4 m，台阶高0.6 m，其余尺寸均采用原设计。

2）放水涵洞

断面采用马蹄形，半径R=0.5 m，高度h=1.30 m，坡比i=1∶100。采用明渠均匀流公式：

根据模型实验测量，当Q=0.265 m3/s，水深h=0.176 m。小于涵洞高度，涵洞满足过流0.25 m3/s要求。

3）消力池断面尺寸复核

跃前水深为泄槽末端水深，根据试验测量h’=0.079 m；跃后水深姨=0.68 m；池深 d=δh"-ht=0.50 m；池长 L=（3~5）h"=2.71 m，其中 δ为淹没系数。

原消力池池深0.5 m，池长3.5 m，满足设计要求。

3.2 放水工程加固

通过水力计算，放水涵洞尺寸、结构均满足设计要求。根据存在问题，本次卧管加固工程内容为：拆除重建淤积高程以上卧管段；维修涵洞，采用2 cm厚M10水泥防水砂浆抹面；改建洞脸；维修引水渠损坏段。

卧管采用侧向进水，长22.05 m，坡比1∶2.5，边墙采用0.5 m厚M7.5浆砌石，内壁采用0.02 m厚M10水泥砂浆抹面，盖板采用0.2 m厚C25预制钢筋砼，进水闸门为0.4 m×0.4 m铸铁闸门，共8扇，启闭机采用3 t手动螺杆启闭机，共8台，启闭平台盖板采用0.1 m厚C25现浇钢砼，卧管每0.2 m高设一C15砼台阶。卧管每隔5 m设一道齿墙，在两道齿墙间设沉陷缝，缝宽2 cm，采用651橡胶止水带，缝内填沥青水泥砂浆。

涵洞长52.53 m，比降1/100，涵洞为矩形半圆拱形式，宽1.0 m、高1.3 m。对裂缝处内壁采用0.02 m厚M10水泥砂浆抹面，并在出坝体处加设M7.5浆砌石洞脸，洞脸厚1.0 m。

引水渠长224 m，比降1/100，断面采用矩形断面，边墙和底板均采用0.3 mM7.5浆砌石。

4 结语

林家村渠首枢纽溢洪道工程改造及放水工程加固已实施完工。投入运行以来经受住了多次特大洪水泄洪实际运行考验，没有发生明显的问题。说明工程设计思路和原则科学合理、施工质量优良，达到了预期改造加固效果。