混凝土重力坝溢流坝段设计研究

陈 乐

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

本次研究的水坝水库是为供某工程工业用水(年平均流量1.5 m3/s)为主，同时补偿下游农田灌溉用水量3 000×104m3，以及防洪发电养鱼等综合利用水利枢纽工程，要求满足工业供水保证率97%，农田灌溉保证率为75%。该工程为Ⅲ等工程，主要建筑物是3级建筑物。由于下游有重要城镇，故选取设计洪水百年一遇，校核洪水为千年一遇。

设计正常蓄水位605 m，总库容0.76×104m3。大坝为重力坝，坝顶高程613.8 m。泄水坝段设钢闸门。

2 非溢流坝段的设计

2.1 坝顶高程

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2005)的规定，坝顶高程应该高于校核洪水位，位于坝顶上游的防浪墙的高程应该高于波浪顶的高程，正常蓄水位或校核洪水位的高差用下式计算，选择两者之中防浪墙顶高程的高者作为选定高程。

△h=h1%+hz+hc

(1)

式中：h1%为波浪高度；hz为波浪中心线至静水位的高度；Hc为安全加高。

下面分为正常蓄水位、设计洪水与校核洪水3种情况进行计算：

2.1.1 波浪爬高

该水坝水库的吹程D=1 000 m，多年最大风速为20 m/s，多年平均最大风速10 m/s。坝高小于50 m的坝可以建在弱风化层的中部或者上部的基岩，中坝址区弱风化层厚为1～7 m，经考察中坝址Ⅲ-Ⅲ′的风化程度，确定开挖线的高程565 m。正常蓄水位和设计洪水时宜采用相应最大风速，即为20 m/s；校核情况宜采用最大风速的多年平均值，即为10 m/s，带入下式得：

(2)

(3)

设计洪水位下：

校核洪水位下：

故得到：设计h1%=0.87 m

校核h1%=0.359 6 m

2.1.2 波浪中心线与静水位之间高度

根据规范有：

(4)

其中：H为挡水建筑物迎水面前的水深,校核情况H=47.59 m，设计情况H=45.56 m。带入得设计hz=0.302 m，校核hz=0.103 m。

2.1.3 安全加高

见表1。

表1 混凝土坝的安全加高

该水坝水库安全级别为二级，所以设计和校核工况下的安全加高分别为0.5和0.4 m。

2.1.4 求△h

设计工况:

△h=h1%+hz+hc=0.87+0.302+0.5=1.672 m

校核工况:

△h=h1%+hz+hc=0.359 6+0.103+0.4=0.863 m

2.1.5 确定高程

设计坝顶高程=设计洪水位+△h=610.56+1.672=612.232 m

校核坝顶高程=设计洪水位+△h=612.59+0.863=613.453 m

选取其中较大者，由于防浪墙高1.2 m，故取坝顶高程为613.8 m，同时满足坝顶高程高于校核洪水位的要求。

2.2 坝体剖面设计

以上确定了坝顶高程为613.8 m，坝底高程为565 m，从而可以确定坝高为H=613.8-565=48.8 m。按照规范的要求，坝顶宽度取b=H(8～10)%,即b=48.8×(8～10)%=(3.90～4.88)m，并且b不小于3 m。由于坝顶有交通要求，即为左岸排沙底孔的建设管理提供相关材料，故坝宽取5 m。溢流坝段设交通桥与两侧坝顶相连接。坝底宽B/H=0.7～0.9，所以坝底宽B=(34.16～43.92)m。

最后确定的断面尺寸如下：

上游坝坡为折坡，折坡点位于坝高24 m处，在此以上坝坡铅直，以下的坝坡坡率n=0.2，下游坝坡坡率m=0.8，基本三角形顶点高程取为校核洪水位613.3 m，从而可推出坝底宽43.84 m的非溢流坝横断面，见图1。

图1 非溢流坝横断面

3 溢流坝段设计

溢流坝段是重力坝中至关重要的泄水建筑物，是用来宣泄洪水、保证大坝安全的核心。溢流坝段的设计如下。

3.1 溢流坝的堰面体型设计

水坝溢流坝段采用实用堰，溢流面的构成分为顶部曲线、中间直线段、反弧段3部分。我国多采用WES堰面曲线，WES坝面曲线具有流量系数较大并且剖面较瘦、工程量比较省、坝面曲线容易用方程控制等优点，见图2。

图2 WES曲线示意图

表2 堰面曲线表

代入数据得XC=5.06YC=2.18 为切点坐标。直接段后边接反弧段，采用挑流消能式，挑流鼻坎高程580 m，下游的最高水位579.6 m,挑角取为θ2=26°。

鼻坎上水深：

Q表=Q总-Q底

=3 543.96-220=3 323.96 m3/s

=48.17 m/s

初步确定反弧半径为R=12 m，此时的反弧最低点高程∇2为：

∇2=∇1+Rcosθ2-R=580+12×cos26°-12

=578.8 m

578.99)1.5=0.08

=0.94

=28.24 m/s

由《混凝土重力坝设计规范》(DL 5108-1999)可得,反弧段为保证挑流条件，反弧半径R取4～10hc，故反弧半径取R=12 m满足规范要求。

得圆心高程：

∇O=∇1+Rcosθ2=580+12×cos26°

=590.8 m

yO=605-590.8=14.2 m

所以切点D的坐标为：

yD=Rcosθ1+yO=12×0.625+14.2

=21.7 m

xD=xc+(yD-yc)m=5.06+(21.7-2.18)×

0.8=20.68 m

所以圆心：

xO=xD+Rsinθ1=20.68+12×0.78=30.04

反弧段圆心坐标(xo,yo)为 (30.04,14.2)。

3.2 挑流消能水利要素的计算

鼻坎上的削角厚度取0.5 m，堰顶上游侧圆弧段水平距离为x3=1.692 m，坎顶至堰顶的水平距离为：

X坎-X顶=X0+Rsinθ2=25.4+12×sin26°

=30.7

则整个溢坝坝基总宽度为：

B=1.692+30.7+2+2.5=36.9

将溢流坝段上游面与非溢流坝段上游面对齐，溢流坝段下游端收缩在非溢流坝段下游端43.84-36.9=6.9 m，挑流消能水力要素包含水舌挑射距离和冲刷坑深度。

计算公式为：

=αq0.5H0.25

其中：θ为挑射角度，取为26°；V1为坎顶水面流速，V1=24.55 m/s；h1为坎顶平均水深，h1=h/cosθ2=3.38/cos26°=3.76 m；h2为坎顶至河床面的高差，h2=580-565=15 m；α为冲坑系数，取为1.1；q为单宽流量，q=48.17 m3/s·m；H为上下游水位差：H=612.59-579.6=32.99 m。

带入求得：L=73.9 m，tk=18.30 m

所以河床冲击坑深tk=18.3-(579.6-565)=4.9 m；L/tk=73.9/4.9=15.08>5.0，符合要求，所以不会对坝体产生影响。

3.3 排沙底孔设计

坝身泄水孔的进口全部淹没在水下，用来排沙和泄水。在坝高为580 m处设一个排沙底孔，尺寸为宽3.5 m、高3 m，排沙底孔兼做泄洪和农田灌溉作用。水库底孔为有压泄水孔，由进口段、孔身段、压坡段和出口段组成。工作门布置在出口，闸门采用弧形闸门。事故检修门设在进口段之后，检修闸门采用平板闸门。压坡段位于工作门上游，事故检修门槽段与压坡段之间设有平坡段。

1) 进口段。根据水工建筑物的要求，进口段的曲线采用α=1/4椭圆。

2) 闸门与闸门槽。进口段的后面布置检修闸门，为了不影响坝面交通，启闭机采用活动式的，检修闸门布置为平板闸门,宽为4.6 m，高度为3.5 m，厚为1 m，采用矩形收缩型门槽。

3) 平压管和通气孔。底孔为有压，所以通气孔的作用是在孔内冲水的时候排气，检修时补气。平压管直径取为D=0.6 m，通气孔尺寸取为D=0.8 m。平压管与上游水库连通，通气孔在检修闸门和工作闸门之间，与沥青井相通。

4) 孔身。平坡的断面采用矩形断面，断面尺寸设为3.5 m×3 m。

5) 渐变段。坡度采用1∶7，面积收缩比采用0.90，收缩前孔口尺寸3.5 m×3 m，收缩后变为3.5 m×2.7 m，压坡段长度2.1 m。

6) 出口消能段。出口消能采用挑流消能方式，反弧段设置为单圆弧式，末端是挑坎，反弧半径为20 m，挑射角为21°，鼻坎高程为581.0 m。

3.4 工业取水管设计

该水坝是以供工厂工业用水为主，净用水量为1.5 m3/s，应铺设管道从水库中取水。按照沿途损失为10%计算，则需要的取水流量为Q=1.67 m3/s。同时要求工业供水保证率97%，则取水入口设立在中间坝段，中心高程为587 m，工业供水管道自由出流。根据公式：

式中：Q为管中流速；μ为管道系统流量系数,取0.98；A为管道断面面积；H为管道水头，在最不利情况时H=588-587.0=1 m。

管道断面总面积为 ：

=0.38 m2

所以每条管道直径0.6 m。综合考虑供水枢纽布置等因素，将供水管布置在右岸坝段。

4 结 语

混凝土重力坝溢流坝段设计是混凝土重力坝设计的重点，本文以某水坝水库为例，对其溢流坝段的设计过程以及设计方法进行介绍，可为其他相似重力坝的设计提供参考。