张公龙水库新增溢洪道安全复核

周静雯

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510000)

0 引 言

泄水建筑物是水库建设工程中枢纽设施，而溢洪道又是普遍应用的泄水建筑物。溢洪道的作用是对库容难以容纳的洪水进行宣泄，避免洪水的漫溢，确保水库大坝的安全运行。另外，溢洪道的布置和设计是否科学合理除了涉及到水库的安全外，还会影响到工程的整体造价。所以，工程设计人员必须以实事求是和科学的态度去布置设计水库的溢洪道，以保证水库的安全运行，提升整体的经济效益。张公龙水库是一座发电为主的中型水库，工程为Ⅲ等，主要建筑物为3级，设计为0.40m的挡水安全加高，0.30m的泄洪安全加高。

1 工程概况

张公龙水库的主体包括三个部分：大坝、电站厂房、发电引水隧洞。水库大坝设计为坝顶高程173.70m的浆砌石重力坝，最高坝体处50.7m，坝顶长132.60m。最初设计左岸的非溢流坝段长度为44.80m，通过后期的除险加固，为增加泄流能力，则需新增一孔溢洪道，新增设的溢洪道布设在原来左岸非溢流坝段(0+029.80-0+045.80)上，设计为15m的总宽度，设定一孔，边墩厚度和孔净宽分别为2.00m和12m，设计堰顶高程162.00m，挡水闸门采用平板式，没有布设检修闸门。

2 张公龙水库溢洪道的总体布置原则

该工程的溢流堰利用WES形实用堰，y=0.075814x1.85。将半径为1m的圆弧段设置于进口前缘，与堰顶平段后接。闸顶设置交通桥和供检修和工作的平台。两侧边墙1.40m厚度，出口平段高程143.00m，溢洪道底宽47.414m，出口宽2.03m。大坝现地为V字形峡谷，河两岸呈现裸露的岩石，水流急，河床大，较直的坝址河道。该工程的新增溢洪道靠近岸坡，为了减缓洪水冲刷左岸岸坡的程度，设计中力求把水流规范到河床中间，确保坝基以及左岸坡的稳固性，该溢洪道利用窄缝消能的模式。其布置型式见图1。

图1 新增溢洪道平面图

左边墙从溢洪道堰面切点(A点)以6.866°收缩角往下游收缩至反弧段末端C点(C 点与溢洪道中心线距离为4m)，在反弧段末端C点以半径R=22m、转角θ=22.028°往下游作窄缝挑坎段圆弧边墙(CD段，墙顶高程152.00m)，圆弧边墙末端D点与 C-C断面垂线距离为 8m;以 CD 圆弧段末端作切线往下游延伸6.05m 作直线边墙，其中4m长边墙顶高程为 152.00m，末端长2.05m 边墙顶高程为 150.0m。

右边墙从溢洪道堰面切点(A)以5.16°收缩角往下游收缩至下游出口断面F点。

反弧段末端C点与溢洪道中心线距离为4.50m。

窄缝挑坎段边墙长度为12.35m(CF段)，其中扭曲段边墙长度为7m，其末端距离出口断面长度为3m，扭曲段边墙墙顶高程为150.0m，其末端断面墙顶比底部扩宽0.80m，末端断面边墙斜坡面坡度为1∶0.13。

出口末端段长度为 3m，边墙为斜坡面边墙(梯形断面)，坡面坡度为1∶7.50，墙顶高程为148.00m，并在距离出口断面1m处以1∶4坡削角与出口断面F点连接。

窄缝挑坎出口底宽为2.13m，新增溢洪道底部混凝土厚度为 0.50m-2m，边墙厚度为1.50m。

在窄缝消能工末端底部设5m长，0.05m厚的混凝土铺盖。

3 张公龙水库新增溢洪道的安全复核分析

3.1 泄水建筑物顶高程复核

在该泄水建筑物的顶高程设计中，释放检查洪水时，不得低于检查洪水位和安全高程值；

蓄水时不得低于设计洪水位或正常水位加上波浪计算的高度和安全标高；

溢洪道与坝肩紧挨时，要保持大坝坝顶高程与紧控制段顶部高程的协调性；

必须按照SL744的相关规定进行波浪要素计算。波浪的计算高度应为累积频率的1%加上波浪中心线与设计水位的差值。

张公龙水库是3级建筑物、Ⅲ等的中型水库，设计为0.40m的挡水安全加高，0.03m的泄洪安全加高；闸墩顶部的现状控制段高程为173.30m。泄洪时：171.44(校核洪水位)+0.30=171.74m<173.30m；挡水时：168.86(设计洪水位)+1.46(波高)+0.40=171.72m<173.30m，所以，该控制段闸墩顶部高程完全能够符合设计要求。

3.2 泄流安全复核

3.2.1 泄流能力

张公龙水库大坝溢洪道布置设计为WES型实用堰。按照《溢洪道设计规范》(SL253-2018)，溢洪道泄流能力的计算公式按(A.2.1-1)进行，公式适用于H0/b≤1，当H0/b>1时，H0/b仍取值1。

(1)

式中：设定流量为Q，m3/s；设定溢流堰总净宽为B，m，多孔状态下为各孔净宽之和；设定单孔宽为b，m；设定n为闸孔数目；设定计入行近流速水头的堰上水头为H0，m；设定g为重力加速度，m/s2,g=9.81m/s2；设定m为二维水流WES实用堰流量系数，采用2011年水工模型试验平均值；设定c为上游堰坡影响修正系数，如果上游呈现铅直的堰面，c=1；设定闸墩侧收缩系数为ε；设定δ0为中墩形状系数，该系数与淹没度hs/H0和闸墩头伸出上游堰面距离Lu有关；设定δk为边墩形状系数(如果直角矩形，k=1.0，如果折线或圆角形，k=0.70，流线型线形，k=0.40)；设定σs为淹没系数，按照《水力计算手册》(第二版)中图3-3-5，取1。

3.2.2 溢流坝边墙高度复核

1)泄槽水面线计算：

按照资料的数据，选择《溢洪道设计规范》(SL253-2018)附录A的相关计算公式，对洪水位实施计算设计以及校核洪水位工况下的溢洪道水面线，泄槽流动为非均匀流的明渠恒定，泄槽水面线用分段求合法应根据能量方程计算。

根据下面公式计算泄槽水面线。

(2)

可根据以下公式计算泄槽段水流掺气水深：

(3)

式中：设定h为泄槽计算断面水深；hb为掺气后的水深，单位m；设定u为不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；ξ为修正系数，可取1.00-1.40s/m，流速越大取值越大流速大者取大值[1]。

2)侧墙高程确定：

在张公龙水库的2011年除险加固的工程中，因为本工程的溢洪道因为窄缝挑坎消能模式的特殊性，进行了特殊意义的水工模型试验，该试验资料真实，成果客观，因此本工程溢洪道侧墙高程采用该设计成果，详见图2。

图2 校核洪水工况下坝面断面水深分布图

通过水工试验的模型不难看出，在校核流量的情况下，溢洪道的边墙高度完全符合设计要求。

3.2.3 溢洪道消能防冲复核

在张公龙水库的2011年的整体工程复核中，因为本工程的新增溢洪道因为窄缝挑坎消能模式的特殊性进行了水工模型试验，该试验资料真实，成果客观，所以本次的溢洪道消能防冲复核采用水工试验模型成果。该模型试验河道下游的动床区域为：下游200m长的河道到溢流坝下游出口断面的范围。从现场查勘成果可知，溢流坝下游附近区域河床呈现裸露的基岩，河床面露出的基岩为121-123mm的高程，地质条件较好，故溢洪道窄缝挑坎消能不影响坝脚安全。

3.3 溢洪道启闭机室梁结构配筋计算

3.3.1 计算简图

溢洪道启闭机室长和跨长都是16m，设有4根主梁的一跨为简支梁结构；边梁高和宽分别是1.30m和0.50m，为规格C25的混凝土结构；中部主梁梁高和宽分别为1.30m和0.50m。现状配筋详见《张公龙水库大坝应急除险工程竣工图》[DZ132D.5-1-17新增溢洪道启闭机室钢筋图(1/3)]及[DZ132D.5-1-18新增溢洪道启闭机室钢筋图(2/3)]，启闭机室184.50m高程结构布置图见图3。

图3 启闭机室184.5m高程主梁结构布置图

3.3.2 计算工况及荷载

选择开启平板闸门时最不利工作状况，复核计算启闭机室184.50m高程平台的主梁的配筋。主要承受荷载状况如下：

边部主梁：的人群荷载为3.00kN/m2，面板荷载4.26kN/m，地震荷载不在其内。中部主梁：人群荷载为3.00kN/m2，启闭机基础集中荷载P1为100kN，面板荷载6.86kN/m，启闭机基础集中荷载P2为100kN，启闭机基础集中荷载P3为100kN，启闭机基础集中荷载P4为100kN，地震荷载不在其内[2]。

3.3.3 计算方法

对溢洪道启闭机室的边部主梁、中部主梁进行设计计算，可以根据简支梁实施计算，计算软件采用《理正结构工具箱7.0PB6》。

3.4 新增溢洪道交通桥结构安全复核

3.4.1 计算简图

本工程溢洪道交通桥为简支梁结构的12m的一跨；均采用C30混凝土结构，L1梁梁高和梁宽分别是1.20m和0.40m；L2梁梁高和梁宽分别为1.00m和0.30m。设计立交桥为171.70m的高程，交通桥及高程173.30m平台结构布置图见图4。现状配筋详见《张公龙水库大坝应急除险工程竣工图》[DZ132D.5-1-14新增溢洪道交通桥钢筋图]及[DZ132D.5-1-15新增溢洪道检修平台钢筋图]。

图4 交通桥及检修平台结构布置图

3.4.2 计算荷载

L1梁计算：人群荷载为3.00kN/m2，面板荷载6.26kN/m，地震荷载不在其中。L2梁计算：人群荷载为3.00kN/m2，面板荷载6.58kN/m，地震荷载不在其中。

3.4.3 计算方式

根据简支梁的方式对L1梁、L2梁进行设计计算，计算软件采用《理正结构工具箱7.0PB6》。

3.5 新增溢洪道坝段稳定及应力复核

通过计算得知，现状新增溢洪道坝段各计算截面在正常蓄水位及设计洪水位工况的抗滑稳定计算安全系数均>3.0，各计算截面在校核洪水位工况的抗滑稳定计算安全系数均>2.50，各截面在各计算工况下的最大垂直应力均小于地基承载力，则新增溢洪道坝段在各工况下的抗滑稳定安全系数、基底应力均满足规范要求[3]。

经与2011年《广东省阳春市张公龙水库大坝除险加固工程初步设计报告》新增溢流坝段稳定计算结果进行对比分析，本次计算与原设计主要差别是计算断面结构调整，原加固设计的计算断面坝后加长段内部为浆砌石，而根据加固设计的竣工图，坝后加长段内部为混凝土；本次鉴定地质勘察钻孔ZKM2在高程131.63m-135.13m段(孔深37.30m-40.80m段)，揭露到坝基混凝土垫层，则新增溢洪道坝段基底混凝土垫层厚度应为3.50m，原加固设计该段的钻孔没有钻到基底，计算时采用了原设计图垫层厚度约2m；本次鉴定地质报告推荐混凝土容重为22.20kN/m3，原设计采用值为22.9 kN/m3。由以上计算成果看来，本次新增溢洪道坝段的抗滑稳定安全系数、基底应力变化趋势正常，计算方法可靠。

4 结 语

综上所述，溢洪道建设是整体水库建设中的重点和难点，工程的设计人员必须本着科学负责的态度，根据本工程的具体情况进行溢洪道的布置和设计，发挥积极的探索精神是至关重要的，因为某个工程获得的经验，不能完全照搬到其他工程上去，只能在实践中取得丰富的经验的基础上，总结出内在的规律性，然后结合不同工程的实际情况进行合理的应用。所以，工程设计人员必须勇于进取，积极学习借鉴国内外最先进、最成熟的溢洪道设计工艺，不断提升自身的设计水平，确保水库溢洪道的布置设计能够符合工程的要求。