某水库溢洪道除险加固工程设计要旨

刘连广

（商丘市睢阳区水利局，河南 商丘 476100）

1 工程概况

某水库建成于1978 年。溢洪道位于水库大坝左侧，为开敞式梯形堰，原设计堰顶高程为143.40 m，因水库兴建时溢洪道未开挖到位，现状堰顶高程仅至144.20 m，底宽0.50 m，最大下泄流量3.70 m3/s。溢洪道泄流能力不满足水库防洪要求，未护砌，无消能设施，不能安全泄洪。

2 溢洪道工程设计要旨

2.1 进口段工程设计

进口段（桩号0+022～0+032）长10 m，底坡为1∶25 的倒坡，进口高程143 m，出口高程143.40 m。底宽由10 m渐变为4 m。底部采用厚0.30 m的C20混凝土护砌，下铺0.10 m厚C10混凝土垫层，两侧边墙为C20混凝土重力式八字墙。

2.2 控制段工程设计

控制段（桩号0+032～0+042）长10 m，堰顶宽4 m，堰顶高程143.40 m，底部采用厚0.30 m的C20混凝土护砌，下铺0.10 m厚C10 混凝土垫层，两侧边墙为C20 混凝土重力式挡土墙，墙顶高程145.50 m。

2.3 陡坡段工程设计

陡坡段（桩号0+042～0+076.80）长34.80 m，底宽4.00 m，纵向坡比1∶3。底部采用0.30 m 厚C25 混凝土护砌，下铺设0.10 m厚的C10混凝土垫层，两侧边墙采用C20混凝土重力式挡土墙，墙顶高出底板1.50 m。桩号0+042～0+056 长14 m 为陡坡段弯道部分，中心线转弯角33°，转弯半径24 m。

2.4 消能段工程设计

消能段（桩号0+76.8～0+086.80）长10 m，底宽4 m，深1.50 m，底部高程131.80 m，出口顶部高程133.30 m，底板为0.50 m 厚C25混凝土，下设0.40 m厚反滤层。边墙均采用C20混凝土重力式挡土墙，墙顶高程135 m。

2.5 海漫段工程设计

海漫段长10 m，底宽由11.20 m 渐变至14 m，底部高程133.30 m，采用0.30 m 厚M7.5 浆砌石护底，下铺0.10 m 厚碎石垫层。左侧为M7.5浆砌石仰斜式挡土墙，迎水面坡比1∶0.80，墙顶高程135 m。右侧为M7.5 浆砌石护坡，厚0.30 m，下铺0.10 m厚碎石垫层，护坡顶部高程135 m，坡比1∶3。

2.6 溢洪道泄流能力计算

除险加固后水库泄水建筑物为开敞式宽顶堰，堰顶高程143.40 m，堰顶宽4 m，按宽顶堰自由溢流情况计算其泄流能力，流量系数取0.36。计算成果见表1。

表1 除险加固后溢洪道泄流能力计算成果表

2.7 溢洪道消能计算

结合实际地形，消能工采用底流式消能。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》，山区、丘陵区水利水电工程5级消能防洪建筑物洪水标准为10年一遇。此建筑物级别为5级，消能防洪按10年一遇洪水计算，相应库水位144.51 m，溢洪道下泄流量7.50 m3/s。消能计算公式如下：

式（1）（2）（3）（4）中：d—消力池深度，m；σ0—水跃淹没系数，采用1.05；—跃后水深，m；hc—收缩水深，m；α—水流动能校正系数，采用1.00；q—单宽流量，1.88 m3/s/m；b1—消力池首端宽度，m；b2—消力池末端宽度，m；T0—由消力池底板顶面算起的总势能，m；△Z—出池落差，m；—出池水深，m。

消力池长度计算公式如下：

式（5）（6）中：Lsj—消力池长度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影长度，m；β—水跃长度校正系数，采用0.70；Lj—水跃长度，m。

消力池底板厚度计算如下：

式（7）（8）中：t—消力池底板始端厚度，m，末端厚可取t/2，但不宜小于0.50 m；ΔH′—上下游水位差，m；K1—底板计算系数，取0.20；K2—底板安全系数，取1.30；U—作用在底板底面扬压力，kPa；W—作用在底板顶面的水重，kPa；Pm—作用在底板上的脉动压力，kPa，取跃前收缩断面流速水头值的5%；γb—消力池底板的饱和容重，kN/m3。

经计算得：消力池深应为d=1.28 m，长应为9.61 m，底板厚度应为0.50 m。此次设计取消力池深1.50 m，长10 m，底板厚度0.50 m，满足要求。

2.8 溢洪道水面线推算及边墙高度复核

A段为溢洪道控制段，进口水面线为300年一遇校核洪水位145.24 m，出口为临界水深对应水位143.40 m+1.17 m=144.57 m。控制段两侧边墙顶部高程为145.50 m，超出校核洪水位0.26 m，满足要求。

B 段既陡坡段，其水面线根据能量方程，用分段求和法计算。陡坡段进口为缓坡变为陡坡处，对应水深为该处临界水深，经计算临界水深为1.17 m。陡坡其他段水深以此临界水深为控制水深，采用上述能量方程分段推算。陡坡段水面线计算成果见表2。

表2 陡坡段水面线计算成果表

根据《溢洪道设计规范》规定，陡坡段边墙高度应不低于掺气后的水面线高度，加0.50～1 m的安全超高。由表2可知，陡坡段两侧边墙底板以上高度均大于掺气后水深，满足不出槽要求。

D 段水面线，海漫段水深可按宽顶堰流公式计算，流量系数取0.36，堰宽取11.20 m，经计算，海漫段水深约为0.93 m，海漫段两侧护砌高度为1.70 m，满足要求。

2.9 溢洪道边墙稳定复核

溢洪道边墙均采用C20混凝土重力式挡土墙，基础均坐落在强风化花岗岩上，地基容许承载力280 kPa。边墙稳定复核选取控制段及消力池边墙进行复核。抗滑稳定复核采用抗剪公式，地基应力采用材料力学方法。边墙稳定复核成果见表3。计算结果表明，控制段及消力池边墙抗滑稳定安全系数大于最小安全系数，基底压力最大值小于基础允许承载力280 kPa，稳定满足规范要求。

表3 边墙稳定复核成果表

2.10 防空蚀验算

采用如下公式进行水流空化数计算：

式（9）（10）中：σ—水流空化数；h0—来流参考断面时均压力水头，m；v0—来流参考断面平均流速，m/s；ha—建筑物所在地区的大气压力水柱，m；hv—水的汽化压力水柱，参照库水温度取用0.17 m。

采用溢洪道30 年一遇设计状况进行复核，设计水位144.77 m，设计泄量10.20 m3/s。控制段底部高程143.40 m，经计算，控制段底部水流空化系数为29.35，大于初生空化数1.05，可以不做防空蚀设计。

3 结语

总之，根据溢洪道泄流能力计算、溢洪道消能计算、溢洪道水面线推算及边墙高度复核、溢洪道边墙稳定复核等结果及复核成果，将溢洪道堰顶恢复至原设计高程143.40 m，并将溢洪道扩宽至4 m，对溢洪道进口段、控制段、陡坡段、消能段及海漫段进行科学合理设计，达到水库溢洪道除险加固的目的。