大河水庫除險加固設計中的溢洪道設計

(大連市水利建筑設計院， 大連 116021)

大河水庫除險加固設計中的溢洪道設計

遲穎

(大連市水利建筑設計院， 大連 116021)

泄水建筑物在水庫樞紐中的主要作用是確保大壩及其他擋水建筑物的安全，限制庫水位不超過規(guī)定的高程，避免上游庫區(qū)造成過大的淹沒損失。因此，溢流壩的設計是水庫樞紐設計中最重要的設計之一。本文主要闡述大連市大河水庫除險加固設計中溢洪道設計要點及步驟，通過堰型選擇、泄水渠水力計算及消能工設計，對溢洪道設計的過程和特點進行相關(guān)分析，對相關(guān)工程設計有一定借鑒意見。

溢洪道； 駝峰堰； 消能； 大河水庫

1 概 述

泄水建筑物——溢流壩作為水庫樞紐的三大件之一，其在水庫樞紐中的主要作用是確保大壩及其他擋水建筑物的安全，限制庫水位不超過規(guī)定的高程，避免上游庫區(qū)造成過大的淹沒損失。因此，溢流壩的設計是水庫樞紐設計中最重要的設計之一。本文主要闡述大連市大河水庫除險加固設計中溢洪道設計要點及步驟。

大河水庫位于大連瓦房店市復州城鎮(zhèn)古井村，水庫總庫容1128萬m3，是集防洪、灌溉、養(yǎng)殖于一體的中型水庫。水庫設計標準為50年一遇，校核標準為1000年一遇。大河水庫溢洪道為開敞式寬頂堰，1989年對其重新進行加固施工?，F(xiàn)溢洪道寬50m，距上游引水渠40m處修建一寬為1m的漿砌石堰坎，坎頂高程為27.34m，其后是長115m的泄槽，泄槽坡度為6‰。水經(jīng)過泄槽后跌入尾水渠，水流方向發(fā)生變化，尾水渠底坡坡度為7.35%，尾水渠首部寬為6m，尾部寬為14m，總長50m。尾水渠兩側(cè)為漿砌石護坡，坡度為1∶0.5，泄槽末端與尾水渠存在高差，在泄槽末端有漿砌石護底。水流最后沿尾水渠流入下游河道。

2 溢洪道設計

經(jīng)過調(diào)洪計算，水庫正常高水位由原來的27.34m提高到28.50m，需在開敞式泄水渠修一堰體擋水。

2.1 堰型選擇

水利工程中常見的堰型有寬頂堰和實用堰兩種。

寬頂堰流量系數(shù)較小，勢必造成校核洪水位和設計洪水位偏高，增加大壩工程造價，不宜采用。

實用堰分曲線堰和折線堰兩種。曲線堰中的WES標準剖面堰在工程中比較常用，但其要求堰高較高，而大河水庫溢洪道堰高設計要求為1.5m，屬于低堰，因此不能采用此堰型；曲線堰中的駝峰堰屬于低實用堰，這種堰型既能在一定程度上保持實用堰的流量系數(shù)，又比較穩(wěn)定。折線堰流量系數(shù)比較適合，并且本次設計要求堰高也符合折線堰要求。最后確定將駝峰堰和折線堰進行方案比較。見表1、表2。

表1 兩種堰型水利計算成果

表2 工程造價

經(jīng)比較，駝峰堰減少工程造價21萬元，因此最后確定采用駝峰堰。

2.2 泄水渠水力計算

2.2.1 泄流能力計算

m=0.452(P1/H0)-0.032

式中m——流量系數(shù)；

ε——閘墩側(cè)收縮系數(shù)，ε=1；

B——溢流堰總凈寬，B=50m；

H0——計入行進流速水頭的堰上總水頭，H0=1.68m。

求得Q=218.95m3/s。

2.2.2 確定泄水渠流態(tài)

式中ik——臨界坡降；

Ak、Ck、Rk——分別為臨界水深時泄槽過水斷面面積、謝才系數(shù)、水力半徑。

經(jīng)計算，泄水渠中水流屬于緩流。

2.2.3 水面線推求

根據(jù)能量守衡方程，采用逐段試算法，以泄渠終止斷面為控制斷面，最后推出泄槽各斷面水位。見表3。

表3 泄槽水面線成果

注： 跌坎處(泄槽下游端)為0+000樁號。

2.3 消能工設計

由于堰上下泄水流流速較大，為防止高速水流對溢洪道的沖刷，需設一消能設施削減水流的能量，以達到保護泄水渠的目的。

消能工按設計洪水P=2%、Q=218.95m3/s。

2.3.1 是否需設消力設施

式中E0——以下游河床為基準面的泄水建筑物上游總水頭，m；

q——收縮斷面處的單寬流量，q=4.38m3/s；

hc——收縮水深，m；

φ——流速系數(shù)，取0.9；

v0——上游流速，v0=1.39m/s；

H——堰前水深，H=3.14m；

無論是在何時，建筑設計師在設計建筑時都應該充分的考慮到當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，在設計的過程中要注意和當?shù)氐沫h(huán)境相適應，一般情況下，外觀設計用到的材料都來源于當?shù)?，這樣可以更加貼近該地的人文地理、文化和民族色彩，因為建筑物的外觀不應該脫離當?shù)氐奈幕?，而且，建筑外觀的設計還應該展現(xiàn)該城市的歷史文化，做到與當?shù)丨h(huán)境相協(xié)調(diào)，才能夠為這個城市的發(fā)展錦上添花。

Frc——收縮斷面弗勞德數(shù)。

2.3.2 消能設施選擇

消能設施主要考慮三種消能方法，即消力池、消力坎、綜合消力池。

經(jīng)計算，若采用消力池消能，消力池池深需0.69m，泄水渠池底為強風化巖石，開挖困難，且池中集水不易排出；若采用消力坎消能，坎高為0.77m，還需設第二級消力坎。最后決定采用綜合消力池進行消能。

2.3.3 綜合消力池設計

2.3.3.1 坎高c確定

m——過坎水流的流量系數(shù)，m=0.42；

H10——坎前總水頭，H10=1.77m；

φ1——坎后水流收縮斷面流速系數(shù)，φ1=0.95。

計算得c=0.20m，最后確定坎高為0.20m。

2.3.3.2 池深S確定

使池內(nèi)形成稍有淹沒水躍。

式中σ——安全系數(shù)，σ=1.1；

H1——坎上水深，m。

經(jīng)計算，S=0.57m

2.3.3.3 池長Lk確定

Lj=9.5(Frc-1)hc

Lk=0.7Lj=8.22m

式中Lj——自由水躍躍長，m。

取Lk=8.3m

經(jīng)計算，消力池各部分尺寸計算如下：池深0.57m，池長8.3m，消力坎高0.2m，消力池底板為0.4m厚混凝土。

下圖為溢流堰及綜合消力池剖面圖。

溢流堰及綜合消力池剖面圖

3 結(jié) 語

大河水庫溢洪道施工已經(jīng)完成，目前運行狀況良好。溢洪道是水庫樞紐的主要建筑物之一，它承擔著宣泄洪水、保護工程安全的重要作用。在進行工程加固以及結(jié)構(gòu)改造過程中，對于溢洪道的布局進行合理設計與調(diào)整，最大程度地保證了水庫汛期運行的安全性與可靠性，是工程設計的重點。在今后的設計工作中，應該多積累設計經(jīng)驗，通過多方案比較，選擇最經(jīng)濟、合理的泄水建筑物型式，保證水庫運行的安全。

[1] SL 253—2000 溢洪道設計規(guī)范[S].

[2] 李煒.水力計算手冊[M].第2版.北京:中國水利水電出版社，2006.

Spillway Design of Qahe Reservoir Risk Removal Reinforcement Design

CHI Ying

(Dalian Water Conservancy Architectural Design Institute, Dalian 116021, China)

Sluice structure is mainly used for ensuring safety of dam and other water retaining buildings in reservoir outlet, limiting that reservoir water level does not exceed the specified height, and avoiding large flooding loss on upstream reservoir area. Therefore, overflow dam design is one of the most important contents in reservoir hug design. In the paper, spillway design keys and steps of Dahe reservoir risk removal reinforcement design in Dalian are mainly described. The process and features of spillway design are analyzed through cofferdam model selection, sluice channel water force calculation and energy dissipation design, which provide certain reference significance for related project design.

spillway; hump weir; energy dissipation; Dahe reservoir

TV651.1

B

1005-4774(2014)12-0024-03