一线天水电站工程坝顶溢洪道整治方案设计

熊鹭 沈鑫

摘 要：根据现场采集数据及完工测量图，技术人员对一线天水电站工程的坝顶溢洪道溢流能力进行复核。结果发现，施工单位未按施工图纸进行施工，导致溢洪道泄流能力不满足设计要求。原设计溢流堰为WES（美国陆军工程兵团水道试验站）实用堰，实际建设的为折线形堰。设计人员综合考虑加高坝顶方案、加宽溢洪道方案、改造溢流堰面曲线以及放空底孔联合泄洪等方案，经优化比选，最终确定采用放空底孔联合泄洪方案。分析成果表明，放空底孔联合泄洪可以避免因坝顶及溢洪道改造带来的经济损失，同时避免坝体结构的整体受到破坏;底孔联合泄洪后，下泄流量满足所需下泄洪水要求，设计方案具有较高的技术可行性和经济合理性。

关键词：枢纽建筑物;溢洪道;底孔;泄流能力

中图分类号：TV651.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0077-04

Design of Renovation Scheme of Dam Crest Spillway of Hydropower

Station of Yixiantian Hydropower Station

XIONG Lu SHEN Xin

（Guizhou Zhongcheng Tianhe Water Conservancy Engineering Co.， Ltd.，Guiyang Guizhou 550003）

Abstract： Based on the data collected on site and the completed survey drawings， technicians reviewed the overflow capacity of the dam crest spillway of the Yixiantian Hydropower Station Project. As a result， it was found that the construction unit did not carry out the construction according to the construction drawings， resulting in the spillway discharge capacity not meeting the design requirements. The original design overflow weir is a WES （Water-ways Experiment Station， US ArmyCorps） practical weir， but the actual construction is a broken line weir. The designers comprehensively considered the scheme of heightening the dam crest， widening the spillway， reforming the overflow weir surface curve， and venting the bottom vent joint flood discharge plan， and finally decided to adopt the vent bottom vent joint flood discharging plan after optimization and selection. The analysis results show that the joint flood discharge by emptying the bottom hole can avoid the economic loss caused by the reconstruction of the dam crest and the spillway， and at the same time avoid the damage of the dam structure as a whole; after the bottom hole is combined to discharge the flood， the discharge flow meets the required discharge flood requirements， and the design scheme has high technical feasibility and economic rationality.

Keywords： pivot building;spillway;bottom hole;discharge capacity

一线天水电站工程位于贵州省黔西市重新镇八角村、定新乡安乐村境内，工程于2016年10月完成初步設计工作，并于2018年6月完工。电站装机容量为8 000 kW，电站工程等别为Ⅴ等，电站规模为小（2）型。坝址以上集雨面积为452 km2，大坝最大坝高为67.5 m，总库容为990万m3，水库工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（1）型。一线天水电站的任务以发电为主，供电以一回35 kV输电线路送至黔西市重新变电站，向黔西市供电。

1 挡水建筑物设计

大坝为C15混凝土砌毛石重力坝，坝轴线方位角为N60.97°E，最大坝高为67.50 m，坝顶长为152.07 m，坝顶宽为6 m，最大坝底宽为61 m。坝顶高程为1 049.50 m。坝体主要材料采用C15混凝土砌毛石，大坝上游面设置1.00～2.16 m厚C20（W6、F100）混凝土防渗墙，下游在1 007.50 m高程以下设置1.0 m厚C20（W6、F100）混凝土防渗墙，大坝底部设1.0 m厚C20混凝土基础垫层。坝体内设置排水管幕，到上游坝面距离4 m，排水管采用内径为150 mm的无砂多孔砼管，间距为3 m。

2 原设计泄水建筑物

2.1 溢洪道布置

壩顶溢洪道溢流前沿总净宽为18 m，采用两孔泄流，设置两扇9 m×10 m平板闸门控制，单孔净宽9 m，由于河谷狭窄，为了减小下游河道两岸的开挖，泄流孔后的溢洪道逐渐缩窄，挑流鼻坎处净宽为16 m。堰顶高程为1 039.00 m，中墩厚为2.5 m，边墩厚为2.5 m，溢流堰采用WES曲线堰，曲线方程[y=0.085 4x1.85]。如图1所示，上游以椭圆曲线与铅直坝面连接，其椭圆曲线方程为[x24.502+（2.59-y）22.592=1]。下游曲线与直线段衔接，直线段坡比为1.0∶0.8。图中，长度单位均为毫米（mm）。

直线段后采用半径为30 m的圆弧与鼻坎衔接。溢流堰面及下游斜坡段采用C30钢筋混凝土护面，厚为1.5～12.5 m，两侧设置C30钢筋混凝土导流墙，导流墙厚为2.5 m，墙高为4.0～5.8 m。消能方式为挑流式消能，鼻坎顶高程为1 008.50 m，坎顶宽度为16 m，挑射角度为20°。下游坝脚20 m范围内采用C25钢筋混凝土护坦防护，护坦厚为2.6 m，为减小冲刷对两岸坡的影响，在下游两岸坡设置C25钢筋混凝土护岸，护岸厚为1.0 m，护岸向下游延伸20 m。两扇工作闸门宜对称启闭，不可长时间单孔泄水，以减小对下游的冲刷和对结构的不利影响。

2.2 泄流能力计算

溢流堰为WES曲线堰，设置两扇9 m×10 m平板闸门进行控制，堰面曲线为[y=0.085 41.85]，溢流段净宽为18 m，分两孔泄流，堰顶高程为1 039.00 m，正常蓄水位为1 048.00 m。泄流能力按式（1）进行计算：

[Q=CmεσmB2gH320]                         （1）

式中：[Q]为流量，m3/s;[C]为上游边坡影响系数，取1;[m]为WES实用堰的流量系数，可查表获得;[ε]为闸墩侧向收缩系数;[σm]为淹没系数，不淹没时取1.0;[B]为溢流堰总净宽，m，取18 m;[g]为重力系数，取9.8 m/s;[H0]为堰上总水头，m。

经计算，表孔特征水位与下泄流量关系的计算结果如表1所示。经验证，表孔泄流能力满足泄流要求。

3 实际实施后泄水建筑物

3.1 溢洪道布置

坝顶溢洪道溢流前沿总净宽为18 m，采用两孔泄流，设置两扇9 m×11 m平板闸门进行控制，单孔净宽为9 m，由于河谷狭窄，为了减小下游河道两岸的开挖，泄流孔后的溢洪道逐渐缩窄，挑流鼻坎处净宽为16 m。堰顶高程为1 038.00 m（原设计为1 039 m），中墩厚为3.0 m，边墩厚为2.0 m，溢流堰采用折线形实用堰（原设计为WES曲线堰），上游以曲线与铅直坝面连接，溢流堰面及下游斜坡段采用C30钢筋混凝土护面，厚为1.5 m，两侧C30钢筋混凝土导流墙，导流墙厚为1.5 m。消能方式为挑流式消能，鼻坎顶高程为1 006.53 m（原设计为1 088.5 m），坎顶净宽为16 m。下游坝脚采用C25钢筋混凝土护坦防护。

3.2 实施后溢流曲线

堰顶高程为1 038.00 m，溢流堰头采用圆弧曲线，堰头向上游悬挑4.85 m，起挑点高程为1 031.35 m[1-3]。如图2所示，下游堰面采用圆弧曲线，曲线末端采用1.000∶1.905直线段相连，末端接挑流尾坎，尾坎高程为1 006.53 m。图中，长度单位均为毫米（mm）。

3.3 溢流表孔泄流能力复核

堰型为折线形实用堰[1-3]。溢流表孔为2个，每孔净宽为9 m，溢流前沿总宽为18 m，堰顶高程为1 038.00 m。溢流表孔泄流能力计算如表2所示。开敞式折线形实用堰泄流能力的计算公式为：

[Q=Cmεσsnb2gH320]                           （2）

式中：[C]为上游堰坡影响系数，取1.0;[b]为每孔净宽，9 m;[n]为闸孔数，取2孔;[H0]为包括行进流速水头的堰前水头，m;[m]为自由溢流的流量系数;[ε]为闸墩侧收缩系数;[σs]为淹没系数，自由堰流时取1.0。

根据《溢洪道设计规范》（SL 253—2018），闸墩侧收缩系数采用式（3）进行计算：

[ε=1-0.2×ζκ+（n-1）ζ0×H0nb]                   （3）

式中：[ζκ]为边墩形状系数，取0.7;[ζ0]为中墩形状系数，取0.3。

根据表孔泄流能力计算结果，经验证，当处于校核洪水位时，下泄流量不满足要求。

4 整治方案选择

由于校核洪水位时溢洪道下泄流量不满足泄洪要求，人们需要对溢洪道进行整治[4-5]。设计前期，人们初步拟定以下几个方案。

4.1 加高坝顶方案

保持现状溢流堰宽不变，通过泄流能力计算可知，校核洪水位时堰上最大水深为11.02 m，即校核洪水位1 038+11.02=1 049.02 m，比原设计1 048.52 m增加了0.5 m，由于水位抬高，水库总库容增加到1 015万m3（原设计为990万m3），相应的坝顶高程需要增加。增加坝顶高程后，溢洪道上闸门也需要进行改造，若采用本方案，将改变原水库设计规模，方案的实施需要增加较大投资，且实施难度较大。

4.2 加宽溢洪道方案

保持原设计水位不变，通过泄流能力计算可知，校核洪水时所需溢流堰宽度为19.3 m，即单孔净宽为9.65 m，比原设计增加了0.65 m（原设计单孔净宽为9 m），由于大坝已全部浇筑完成，堰顶闸门也已安装完成，该方案从施工工艺及投资上看均不可行。

4.3 改造溢流堰面

将现状折线形溢流堰面曲线改造为原设计WES曲线型实用堰，由于所有建筑物及堰顶闸门均已定型，实际改造难度较大。

4.4 放空底孔联合泄洪

通过多方案讨论和研究，先考虑底孔参与泄洪后是满足泄洪能力要求，若不满足，再讨论其他方案的可行性。

4.4.1 放空底孔泄流能力复核。放空建筑物设于非溢流坝段左岸坝体以内，由进口段、渐变段、坝内埋管段、出口段组成。进口布置于大坝坝体内，进口底板高程为1 018.00 m。放空孔进口采用喇叭形（偏椭圆形），喇叭口最大尺寸宽×高（[B]×[H]）=3.06 m×2.94 m，收缩后尺寸[B]×[H]=2.5 m×2.5 m，頂板曲线及侧墙曲线方程均为[x23.02+y21.02=1]，井筒为C25钢筋混凝土浇筑。检修平板闸门位于喇叭形进口末端，闸门孔口尺寸[B]×[H]=2.5 m×2.5 m。检修闸门后设通气孔，孔口平面尺寸[B]×[H]=0.9 m×2.5 m。采用1台QPG-630-37 m的高扬程卷扬机启闭，检修平台高程为1 049.50 m，启闭机室高程为1 055.10 m。

洞身段为DN2 000 mm的放水钢管，管周围采用C30钢筋混凝土浇筑，放空管出口设DN2 000 mm蝶阀控制水流，蝶阀之后为溢洪坝下游护坦段，水流直接流到河道内。放空系统总长为53.40 m。放空底孔泄洪量采用式（4）计算，计算公式为：

[Q=μ×Ak×2gHw]                      （4）

式中：[Q]为流量，m3/s;[μ]为流量系数，取0.88;[Ak]为出口处面积，m2;[Hw]为作用水头，m。

放空底孔泄流能力计算结果如表3所示。

4.4.2 联合泄流流量计算。经计算，校核洪水位为1  048.52 m时的联合泄洪流量为1  013.79+73.19=1  086.98 m3/s，设计洪水位为1 048.00 m时的联合泄洪流量为933.52+72.65=1 006.17 m3/s，这两种工况下的泄流量均略大于调洪计算成果相应的下泄流量，联合泄流能力满足泄洪要求。

5 结论

一线天水电站工程坝顶溢洪道溢流堰面的原设计采用WES曲线型实用堰，设计下泄流量在各工况下均满足泄洪要求。但是，施工单位没按设计进行施工，实际施工时采用的是折线形实用堰。通过泄洪计算，折线形实用堰在校核洪水位时不满足泄洪要求，通过加高坝顶方案、加宽溢洪道方案、改造溢流堰面以及放空底孔参与泄洪等多方案的研究，最终采用放空底孔参与泄洪方案。

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