开阳县詹家湾水库泄水建筑物设计研究

柴 海

（安顺市水利水电勘测设计院，贵州 安顺 561000）

1 概述

水利工程枢纽中用来泄放水的水工建筑物称为泄水建筑物。泄水建筑物具有安全排洪、放空水库的功能，对于水库、江河、渠道或前池等的安全运行起重要作用[1，2]。泄水建筑物的安全运营与诸多因素相关，其中设计参数的取值对于泄水建筑物能否在服役期内安全运行十分关键，如果忽略建筑物的结构类型和风险级别，会增加大坝失事风险，威胁下游人民财产安全[3，4]。

当前泄水建筑物主要有岸边溢洪道、溢流坝、泄洪隧洞及坝下涵洞4 种形式。溢洪道水流平顺，超泄能力大，并且结构简单，运用安全可靠，是采用最多的泄水建筑物形式之一[5，6]。当前国内外学者对其设计进行了相关研究。刘利军[7]通过模型试验的方式探讨了溢洪道消力池优化设计问题；李婷婷[8]采用水工物理模型试验方法，开展了进水口折流坎设计研究对比，结合溢洪道进水口、出水口水力特征开展方案评价分析；龙华等[9]多层面深入剖析月亮湾水库溢洪道工程，对泄洪道消力池的设计、布设效果进行定量分析与探究；付亮[10]选取合适的加固设计方案，阐述了水库溢洪道的加固设计思路及方法。此外，还有学者对泄洪建筑物布置与结构设计和溢洪道水工消能设计等进行了研究[11-14]。

以开阳县詹家湾水库为例，对泄水建筑物设计过程进行了探讨。首先对溢流堰剖面设计进行了介绍分析，然后对WES 实用堰泄流能力进行了计算，最后对泄槽水面线设计、消能设计过程进行了详细分析，研究方法可为相关工程提供参考。

2 工程概况

詹家湾水库是开阳县在贵州省骨干水源建设规划中提出的小（2）型水库水源点，最大坝高27.6 m。工程建成后，可保证开阳县城关镇石头村1.47 km2耕地的灌溉，同时解决灌区内3079人和2772头大、小牲蓄的饮水。工程设计供水量80.4 万t/a，下放生态环境用水12.8 万t/a。工程规模为Ⅴ等小（2）型工程。库区内褶皱断裂不甚发育，水库抬高最大水头较小，为低水头，库容小，蓄水后无诱发重力型地震可能，库区构造稳定性好。坝址基岩为寒武系中上统娄山关群浅灰、灰白色中厚层白云岩，岩石表层风化强烈较破碎，纵向贯通裂隙较发育；坝址区地质构造简单，无断层通过，地质构造基本稳定。

3 溢流堰剖面设计

詹家湾水库大坝为混凝土砌石重力坝，坝顶中段自由溢流，无闸阀控制。溢流堰净宽6.0 m，堰顶高程1120.0 m，校核洪水位1121.74 m，堰上水头1.74 m，下泄流量30.5 m3/s。溢流堰为WES 剖面实用堰，堰面曲线段方程为y=0.3583006x1.85，直线段方程为y=1.33333x-1.393 与堰面曲线切点坐标为C（2.274，1.639）。反弧段半径为7.0 m，中心角为53.13°。反弧段与直线方程的交点坐标为D（12.444，15.199），反弧段圆心坐标为o′（18.043，11.000），反弧段最低点坐标为E（18.043，18.000），E点与下游侧水平段连接，水平段长3.54 m，溢流面采用C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度0.5 m。

4 溢洪道泄流能力计算

溢洪道过流能力按《溢洪道设计规范》（SL253-2000）泄水与过坝建筑物中实用堰泄流能力公式计算：

式中：Q为流量（m3/s）；ε为闸墩侧收缩系数；m为流量系数；B为溢流堰总净宽（m）；g为重力加速度（m/s2），取9.81 m/s2；H0为计入流速水头的堰上总水头（m）。

溢洪道泄流能力计算成果，详见表1。

表1 溢洪道泄流能力计算成果

由表1 可知，当坝前水位由1120.00 m 增加至1122.00 m、堰上水头从0 增加至2.00 m 时，WES 实用堰的泄流量计算结果为0～37.57 m3/s，而校核洪水位下溢洪道的泄流量为30.5 m3/s，能够满足宣泄洪水要求。

5 泄槽水面线计算

因溢流面为曲线，溢流面底坡沿程变化，故泄流水面线根据上下游2个断面建立能量方程推导出的溢流面底坡为变量的分段求和公式计算，计算公式如下：

式中：Δx为上游断面1-1 和下游断面2-2 之间的水平投影长度（m）；h1为上游断面1-1 的垂直水深（m）；h2为下游断面2-2的垂直水深（m）；θ1为上游断面1-1 的底坡角度（°）；θ2为下游断面2-2 的底坡角度（°）；v1为上游断面1-1 的平均流速（m/s）；v2为下游断面2-2 的平均流速（m/s）；α1为上游断面1-1 的流速分布不均匀系数，取1.05；α2为下游断面2-2 的流速分布不均匀系数，取1.05；g为重力加速度（m/s2），取9.81 m/s2；为上游断面1-1 和下游断面2-2 之间的平均底坡；-J为上游断面1-1 和下游断面2-2 之间的平均水力坡度。

式中：x1为以堰顶为坐标原点上游断面1-1 相对于坐标原点的x坐标值（m）；x2为以堰顶为坐标原点下游断面2-2相对于坐标原点的x坐标值（m）。

式中：i1为对应于上游断面1-1 的底坡，i1= tanθ1；i2为对应于下游断面2-2的底坡，i2= tanθ2。

式中：J1为对应于上游断面1-1 的水力坡度；J2为对应于下游断面2-2的水力坡度。

式中：n为糙率，取0.017；v为断面平均流速（m/s）；R为水力半径（m）。

水流掺气水深按下式计算：

式中：hb为计入波动及掺气的水深（m）；h为不计入波动及掺气的水深（m）；v为不计入波动及掺气的计算断面的流速（m/s）；ζ为修正系数（s/m），取1.0～1.4 s/m。

泄槽水面线计算成果，详见表2。由表2 可知，对于堰面曲线段，相对于堰顶坐标原点的x坐标值由0 增加至2.274 m 时，计算边墙高度由2.45 m 减少至1.58 m；对于直线段，相对于堰顶坐标原点的x坐标值由3 m 增加至12.444 m 时，计算边墙高度由1.52 m 减少至1.29 m。在反弧段，相对于堰顶坐标原点的x坐标值由15 m 增加至18.043 m 时，计算边墙高度由1.27 m减少至1.26 m。

表2 泄槽水面线计算成果

6 消能设计

本工程泄水建筑物消能方式采用底流消能，按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）第5.2.6 条规定，詹家湾水库泄水建筑物消能设计洪水标准按10 a 一遇（P=10%）下泄洪水设计，根据水库调洪计算成果，10 a 一遇（P=10%）下泄洪水流量为16.5 m3/s。消力池断面，如图1 所示。本次消能工类型为下挖式消力池，上游底部计算高程为1103.90 m，下游底部高程为1102 m，消力池首端宽度为6 m，消力池末端宽度为6 m，水流的动能校正系数为1.000，泄水建筑物下游收缩断面处流速系数为0.950，消力池出流流速系数为0.950，水跃淹没系数为1.050。另外，消力池自由水跃跃长计算系数为6.9，水跃长度校正系数为0.750，底板计算系数K1为0.2，底板安全系数K2为1.3，底板饱和重度为25 kN/m3，脉动压强系数为0.050，海漫长度计算系数Ks为10，河床土质允许不冲流速为1 m/s。

图1 消力池断面

计算时，首先判断是否需要建消能工，其采用以下公式包括流速水头公式、收缩断面水深公式以及跃后水深公式（矩形断面扩散渠槽自由水跃）来判断水跃型式的条件。若跃后水深hc′＞下游水深ht′，则发生远离式水跃；若hc′=ht′，则发生临界水跃；若hc′＜ht′，则发生淹没式水跃。若发生远离式水跃，需要修建消能工，否则不需要。本次研究计算出单宽流量为2.75 m2/s，流速水头为0.001 m，上游总水头为19.201 m，收缩断面水深为0.15 m，跃后水深为3.136 m，下游水深为2.08 m，为远离水跃，需要修建消能工。

设计第二步是计算消力池池深。计算主要采用消力池出口水面落差公式和消力池深度公式，经计算得出消力池出口断面落差为0.064 m、深度为1.203 m。设计第三步为计算池长，采用自由水跃跃长和消力池池长计算公式，经计算得出自由水跃跃长为20.992 m、水跃前消能工长度为0、消能工总长度为15.744 m。设计最后为计算消力池底板厚度，采用池深为1.203 m、池长为15.744 m 计算底板厚度。首先需要计算满足抗冲要求的底板厚度，然后计算满足抗浮要求的底板厚度。根据计算结果，作用在底板面的扬压力为1 kPa，作用在底板上的水压力为16.348 kPa，作用在底板上的脉动压力为20.695 kPa。经计算，得出所需消力池底板首端最大厚度为0.675 m，末端厚度一般取首端厚度的1/2 为0.337 m。根据以上计算结果，消力池池深取1.22 m、池长取17.0 m、底板厚度取0.8 m。

7 结论

以开阳县詹家湾水库为例，对泄水建筑物设计过程进行了探讨。首先对溢流堰剖面设计进行了介绍分析，然后对WES 实用堰泄流能力进行了计算，最后对泄槽水面线设计、消能设计过程进行了详细分析。结果如下。

（1）WES 实用堰的泄流量的计算结果为0～37.57 m3/s，而校核洪水位下溢洪道的泄流量为30.5 m3/s，能满足宣泄洪水要求。

（2）对于堰面曲线段，相对于堰顶坐标原点的x坐标值由0 增加至2.274 m时，计算边墙高度由2.45 m减少至1.58 m；对于直线段，x坐标值由3 m 增加至12.444 m 时，计算边墙高度由1.52 m 减少至1.29 m。在反弧段，x坐标值由15 m 增加至18.043 m 时，计算边墙高度由1.27 m减少至1.26 m。

（3）经消能设计计算得出，本工程所需消力池底板首端最大厚度为0.675 m，末端厚度一般取首端厚度的1/2 为0.337 m，消力池池深为1.22 m、池长为17.0 m、底板厚度为0.8 m。