崖底水库溢洪道消能计算及加固设计

2019-10-25杨亚平

陕西水利 2019年9期

杨亚平

（宜川县河道和水库管护中心，陕西延安 716200）

1 工程概况

崖底水库工程位于宜川县境内，猴儿川河上游，是一座以灌溉为主兼有防洪、抗旱等综合功能的水库。猴儿川发源于圪台乡柳沟，直接流入黄河，全长77.8 km，流域面积480.0 km2，河道平均比降12.6‰。根据当地气候、降雨量及地质条件，该水库规划为集义镇上川1万亩农田灌溉的主要水源。该水库于1975年9月动工修建，1976年11月建成运行至今。

崖底溢洪道位于大坝右岸石基上，利用原冲沟改建而成，为宽浅式溢洪道，现状溢洪道包括进口堰流段、陡坡段、尾水段等三部分。溢洪道总长97.8 m，断面形式为矩形断面，进口段宽度27.0 m，堰流段宽度23.3 m。根据1982年宜川县对崖底水库进行三查三定结论，大坝的防洪标准为设计洪水50年一遇，洪峰流量155 m3/s，校核洪水200年一遇，洪峰流量226 m3/s，设计溢洪道下泄流量215 m3/s，设计洪水位1064.80m，校核洪水位1065.83 m，复核达到SDJ12-78标准。本次溢洪道除险加固设计按现行规范，洪水标准按30年一遇设计，300年一遇校核，因此需要对溢洪道泄水及消能情况进行重新复核。

根据现场调查发现崖底溢洪道主要存在以下几点问题：

（1）溢洪道右岸无挡墙，为自然山体，过水断面宽窄不一，且已成砌石墙体太薄，部分裂缝破坏；

（2）溢洪道底板原砌筑毛石全部脱落，现状基岩裸露，且冲蚀严重；

（3）溢洪道无防冲消能设施，危及下游河道岸坡及坝坡安全。

2 溢洪道下泄流量计算

崖底水库的校核洪水位和设计洪水位通过调洪计算确定。调洪演算成果：校核洪水位1066.16 m，对应溢洪道下泄量303 m3/s，水库库容154.88万m3；设计洪水位1064.72 m，对应泄洪流量137 m3/s，水库库容134.62万m3。

根据调洪演算结果，洪水标准按30年一遇设计，300年一遇校核。崖底水库正常蓄水位1062.7 m，起调水位为1062.7 m，溢洪道堰顶控制段宽度按现状现状宽度23 m计算，进口段为矩形平底槽。进口堰型采用WES剖面实用堰，溢洪道泄流计算采用下面公式计算[1]。

式中：Q为溢洪道下泄流量(m3/s）；m为堰流流量系数，取0.478；ε为堰流侧收缩系数，取0.962；g为重力加速度，9.8 m/s2；B为溢洪道堰顶控制段宽度(m)，取23 m；H为堰前水深m，水位高程-引渠底板高程；H0为计入行近流速水头的堰上水头（m），v0=0，所以H0=H。

WES剖面为美国陆军工程兵团水道试验站研究出的剖面，其设计水头的流量系数m=0.502[2]，收缩系数ε取0.9，引渠底板高程为1062.65m。则溢洪道下泄流量与水位关系计算结果见表1。

表1 溢洪道下泄流量关系

3 泄槽边墙高度复核

各计算断面水深及掺气水深

式中：hk为渠道的临界水深，m；α为流量系数，取1；Q为溢洪道下泄流量m3/s；B为溢洪道宽度，m。

校核洪水位的下泄流量为303 m3/s，溢洪道净宽为23 m，对应单宽流量为13.2 m2/s，计算后得出矩形渠道的临界水深hk=2.61 m，则流速为5.04 m/s。泄洪道陡坡坡比约为1∶3，根据《溢洪道设计规范》实用堰起始断面定在堰下收缩断面处，起始断面1-1的水深h1=hkcosθ=2.48。再通过泄槽能量方程，用分段求和法计算各断面水深[3]，结果见表2。

式中：Δl为 li到 li+1之间距离，m；hi、hi+1为始末两断面法相水深，m；vi，vi+1为始末两断面流速，m/s；α 为流速分布不均匀系数，取1；J为平均水力坡降；n为泄槽糙率，取0.016；v为分段平均流速，m/s；R为分段平均水力半径；θ为泄槽底板与水平面的夹角，为18.43°。

v=(vi+vi+1)/2；R=(Ri+Ri+1)/2，R=hbi/(2h+bi)，其中 bi为泄槽不同断面的底宽，则泄槽不同断面水深及流速计算结果见表2。

表2 主要断面的水深和流速计算

再通过式（6）计算断面渗气水深。

式中：hb为计算断面渗气水深；v为断面流速，m/s；ξ为不修整系数，取1；h为泄槽计算断面的水深。

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2000）[4]规定，溢洪道边墙高度为掺气水深加安全超高，按规定安全超高取0.5 m～1.5 m，最终求出各段边墙高度，见表3。

表3 边墙护坡高度计算成果表

4 溢洪道消能复核

底流消能主要是通过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动来消除下泄产生的多余的能量，产生水跃的位置不同对下游河岸冲刷侵蚀状况也不同，水跃的位置取决于收缩断面水深hc的共轭水深hc"与下游水深ht的相对大小。当ht=hc"时为临界水跃，当ht＜hc"时为远离式水跃，当ht＞hc时为淹没式水跃。工程上为了确保下游河岸的安全常采用淹没式水跃[5]。

4.1 收缩断面水深hc的确定

由水力计算手册可知，一般泄流的收缩断面水深hc的计算方程为：

式中：E0为消力池底以上的总势能；hc为收缩断面水深，m；Q为下泄流量，m3/s；b为泄槽出水断面宽度，m；g为重力加速度，9.8 m/s2；ψ 为流速系数，取 0.95。

校核洪水位1066.16 m，下游水位1042.70 m因此总势能为23.46 m，Q为下泄流量303 m3/s，流速系数取0.95，泄槽出水断面宽度15 m。经计算hc为1.02 m。

4.2 共轭水深hc的计算

式中：hc为收缩断面水深的共轭水深，m；Fr1为收缩断面弗劳德数；q 为单宽流量，m2/s。

经计算hc"=8.59＞ht=1.5故溢洪道下游将发生远离式水跃衔接。当建筑物下游形成远离式或临界式水跃衔接时，为了改变这种不利的衔接形式，必须采取一定的工程措施，选择在下游增加消力池或者泄槽陡坡使用阶梯消能。

4.3 消力池计算

出口消能方式采用底流消能，采用矩形断面，其水力设计主要包括确定池深及池长[6]。

（1）消力池深度计算公式

式中：d为消力池深度，m；σj为水跃淹没系数，采用1.10；hc"为跃后水深，m；hc为收缩水深，m；ht为下游水深，m。

经计算消力池深度为7.95 m。

（2）消力池长度计算

消力池长度计算公式：

式中：Lsj为消力池长度，m；Ls为消力池斜坡段投影长度，取25 m；β为水跃长度校正系数，采用0.8；Lj为水跃长度，m。

经计算消力池长度为66.79 m。

4.4 阶梯消能率的计算

（1）阶梯消能

阶梯消能是指在泄槽陡坡段溢流面上布置一系列的阶梯，利用陡坡段阶梯和水流之间产生的旋滚及主流与阶梯的碰撞使其能量耗散达到消能的目。影响阶梯消能的因素很多，主要包括溢洪道下泄单宽流量、起始台阶位置、阶梯坡度和台阶高度等。对阶梯消能国外研究较早，其中Stephenson对不同阶梯数量的消能作用进行了研究，表明，随着阶数的增加，能量耗散逐渐增加，但随着阶数的进一步增加，能量耗散逐渐减小[7]。Chamani等研究了单宽流量对效能率的影响，结果表明随着溢洪道单宽流量逐渐增加，水流动能的增加远大于其动能的损失，所以效能率随着单宽流量的增加而减小[8]。对于崖底水库而言溢洪道主要由引水渠段、泄槽陡坡段、尾水渠段等三部分组成，总长88.71 m，为矩形断面，其中泄槽陡坡段长60 m，坡度为1∶3，陡坡起始点为起始台阶位置，因此可通过控制阶梯高度以及阶梯数量来控制阶梯消能的能力。

（2）效能率的计算

利用能量守恒定律对阶梯消能率进行计算是目前最普遍的方法，分别计算上下游的能量，上游总能量与下游总能量的差值即为水流流过梯面所损失的能量，见图1。

图1 阶梯消能计算

按校核洪水位进行泄流计算，单宽流量为13.2 m2/s。由4.1可知泄槽出水断面宽度为15 m，因此单宽流量为20.18 m2/s，下游水深ht=1.5 m，所以流速为13.45 m/s。令hc"=ht=1.5，则泄槽出口断面流速为4.35 m/s，即流速v2≤4.35 m/s时为临界水跃或淹没式水跃，才能满足溢洪道消能标准。

损失的能量与上游总能量的比值即为阶梯式溢流项的消能率，即：

式中：E0、E1、E2为上游总能量和下游原泄槽及阶梯泄槽总能量，m；H0、H1、H2为上游断面水面高程和下游原泄槽及阶梯泄槽水面高程，m；V0、V1、V2为上游断面平均流速和下游原泄槽及阶梯泄槽断面平均流速，m/s；a流速系数，取1；η为阶梯增加消能率，%。

表4 阶梯消能率计算结果

从计算结果可知，阶梯消能率至少达到33%才满足溢洪道消能要求。

5 溢洪道加固方案设计

针对溢洪道现状存在问题，需对溢洪道进行全面加固改造。根据消能计算复核等结果，溢洪道加固方案为：溢洪道中心线按原中心线位置不变，加固后溢洪道由引水渠段、泄槽陡坡段、消力池段和尾水渠段等四部分组成，总长155.5 m，为矩形断面，加固主要维持原设计断面尺寸，进口引渠段宽27 m，溢流堰段宽23 m。具体措施如下：

（1）堰顶高程及溢洪道宽度按原设计不变，对左侧墙裂缝严重及脱落段拆除重新砌筑，恢复原断面，并对已成砌石表面全面采用M10水泥砂浆勾缝处理；增加右侧溢洪道挡墙，高度4 m，规整泄流断面，使水流下泄稳定；对坝肩与溢洪道左侧墙结合处进行灌浆，使之与大坝结合密实。

（2）溢洪道底板坐落于原砂岩上，本次加固清除现状冲刷松动砂岩，并在其上铺设C20钢筋砼护底，厚0.2 m，对泄水底坡规整。

（3）增加溢洪道出口效能防冲设施，采用底流加消力池效能，消力池长66.79 m，深7.95 m。

（4）采用溢洪道阶梯消能，按照设计要求阶梯效能率至少要达到33.36%才能符合消能要求。