陡河水库溢洪道结构安全分析

崔立军

（唐山市陡河水库事务中心，河北 唐山 063021）

陡河水库溢洪道位于左坝头凤山山坡，轴线距输水洞左侧50 m，于1971年水库续建时完成，1988年提高保坝标准时对下游挑坎和陡槽边墙进行了加固，由引水渠、闸室（长14.5 m）、陡槽（长151.0 m）、挑坎段（长21.0 m）和尾水渠组成。引水渠渠底高程33.0 m，溢流堰采用开敞式实用堰，堰顶高程34.0 m，下游趾处高程32.0 m。闸室宽25.2 m，净宽12.0 m×2，设有2扇宽12.0 m、高7.0 m升卧式钢闸门，采用2台QPQ-2×25 t启闭机控制。闸室下游接陡槽，陡槽末端设挑坎段，坎顶高程28.5 m，坎下游设混凝土防冲齿墙，齿墙底高程15.0 m，尾水渠渠底高程23.0 m。

溢洪道防洪调度运用方式为：起调水位34 m，库水位在300 a一遇洪水位（40.37 m）以下，当双唐区间洪水小于400 m3/s时只用输水洞泄洪，当区间洪水大于400 m3/s时水库关闸错峰；库水位超过300 a一遇洪水位时，输水洞和溢洪道敞开泄洪。

1 控制段闸墩顶高程分析

根据《溢洪道设计规范》（SL253-2018），溢洪道控制段的闸墙顶高程，泄水时不应低于校核洪水位加安全超高值，挡水时不应低于最高挡水位加波浪的计算高度和安全超高值。溢洪道为1级建筑物，泄洪时安全超高0.5 m，挡水时安全超高0.7 m。经计算，300 a一遇洪水位时，闸墩顶高程41.82 m；校核洪水位加安全超高0.5 m时，闸墩顶高程43.31 m。溢洪道现状闸墩顶高程43.30 m，满足规范要求。

2 泄流安全分析

根据水库调洪成果，300 a一遇洪水位为40.37 m，1 000 a一遇设计水位为41.05 m，10 000 a一遇校核水位为42.81 m，对3种水位下溢洪道的泄流能力进行复核。

2.1 溢洪道泄流能力分析

溢洪道控制闸始终为自由式曲线型实用堰流，泄流能力按《溢洪道设计规范》（SL253-2018）中公式计算：

式中：c为上游坡修正系数；m为流量系数；δs为淹没系数；ε为闸墩侧收缩系数；B为溢流堰总净宽（m）；H0为计入行进流速水头的堰上水头（m）；g为重力加速度（m/s2）。

经计算，溢洪道闸门全开，300 a一遇洪水位时，泄量为699 m3/s；1 000 a一遇设计水位时，泄量为802 m3/s；10 000 a一遇校核水位时，泄量1 084 m3/s，泄流能力满足防洪要求。

2.2 消能防冲分析

2.2.1 挑距计算

溢洪道采用挑流消能，挑流鼻坎顶高程28.5 m，反弧半径20.0 m，下游尾水渠渠底高程23.0 m，按照《溢洪道设计规范》（SL253-2018）附录A.4公式进行计算：

式中：L为自鼻坎末端算起至下游河床床面的水舌外缘挑距（m）；v1为坎顶水面流速（m/s），按鼻坎处平均流速v的1.1倍计；θ为挑流水舌水面射出角（°）；h1为坎顶法向水深（m）；h2为坎顶至河床面高差（m）；g为重力加速度（m/s2）。

2.2.2 下游冲坑以下水舌长度计算

参照《水利计算手册》（第二版）公式4-3-8计算：

式中：Lc为河床面以下的水舌水平投影长度（m）；t为冲刷坑深度（m）；β为水舌外缘与下游河床面的夹角（°）。

2.2.3 冲坑深度计算

式中：T为最大水垫深度减去下游水深的冲坑深度（m）；q为单宽流量（m2/s）；Z为上下游水位差（m）；K为冲坑系数，破碎围岩取1.5。

经计算，300 a一遇洪水时冲坑深度为8.74 m，总挑距36.77 m，冲刷坑上游坡度取1∶4，冲坑上游影响范围距离鼻坎1.81 m。鼻坎下游设有防冲齿墙，底高程15.0 m，当溢洪道下泄300 a一遇洪水、1 000 a一遇设计洪水、10 000 a一遇校核洪水时，冲坑均不会影响挑流设施安全。经分析，溢洪道消能防冲设施满足调度运行安全要求。

2.3 泄槽边墙顶部高程分析

计算条件如下：①计算流量。溢洪道建成至今尚未泄过水，1978年水工模型试验值比计算值偏大，差别在5%以内。从安全考虑，本次流量复核采用1978年水工模型数据，Q设=835 m3/s，Q校=1 126 m3/s。②泄槽工程布置。陡槽由收缩段、陡坡段、扩散段组成，总长151.0 m，长度、宽度、坡度分别是40 m、25.2 m（起始宽度）、1/50；86 m、15.3 m、1/150；25 m、21.4 m（末端宽度）、1/125。③泄槽边墙超高。校核工况取0.5 m，设计工况取1.0 m。

2.3.1 起始水深计算

泄槽上游接实用堰，泄槽水面线计算起始断面定在堰下收缩断面，用能量方程试算得到，按《溢洪道设计规范》（SL253-2018）中的公式计算：

式中：q为起始计算断面单宽流量（m2/s）；Ho为起始计算断面渠底以上的总水头（m）；θ为泄槽底板与水平面的夹角（°）；h1为起始计算断面水深（m）；φ为起始计算断面流速系数，取0.95；g为重力加速度（m/s2）。各控制标准情况下起始断面水深计算结果，详见表1。

表1 起始断面水深计算成果

2.3.2 泄槽段水面线计算

水面线根据能量方程，按《溢洪道设计规范》（SL253-2018）分段求和法计算，公式为：

式中：Δl1-2为分段长度（m）；h1、h2为分段始、末断面水深（m）；v1、v2为分段始、末断面平均流速（m/s）；α1、α2为分段始末断面流速分布不均匀系数，取1.05；θ为泄槽底坡角度（°）；g为重力加速度（m/s2）；i为泄槽底坡；为分段内平均摩阻坡降。

2.3.3 掺气水深及两岸墙高计算

泄槽段边墙墙高由5 000 a一遇洪水最大泄量控制。掺气水深按《溢洪道设计规范》（SL253-2018）附录A.3.2公式估算：

式中：h为不计入波动及掺气的断面的水深（m）；hb为计入波动及掺气的断面的水深（m）；v为不计入波动及掺气的断面的平均流速（m/s）；ξ为修正系数，取1.0。

2.3.4 分析结果

经计算，1 000 a一遇设计洪水情况下，现有边墙顶部高程满足要求；10 000 a一遇校核洪水情况下，现有边墙顶部高程不满足超高要求，但掺气后水深基本不出槽。从正常运用情况考虑，现有边墙顶部高程满足运行要求。

3 溢洪道结构强度与稳定分析

3.1 闸墩稳定分析

（1）计算工况。正常运用情况为设计水位40.37 m，溢洪道闸门关闭，排水系统有效；设计水位40.37 m，溢洪道闸门关闭，排水系统失效。非常运用情况为设计水位40.37 m，溢洪道闸门关闭，地震动峰值加速度0.20 g。

（2）抗滑稳定安全系数采用抗剪断强度公式计算：

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；f′为基础底面与地基之间的抗剪断摩擦系数，取0.7；C′为基础底面与岩石地基之间的抗剪断粘结力（kPa），取300 kPa；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载（kN）；∑H为作用在闸室上的全部水平向荷载（kN）；A为基础底面面积（m2）。

（3）地基应力计算公式为：

式中：∑G为竖向力之和（kN）；A为基础底面的面积（m2）；e为偏心距（m）；l为基础底长（m）。

根据《溢洪道设计规范》（SL253-2018），当采用抗剪断强度公式进行抗滑稳定计算时，其安全系数K在基本组合时应大于或等于3.0、特殊组合Ⅱ（地震情况）时应大于或等于2.3。经分析，中墩抗滑稳定和地基反力均满足要求；边墩抗滑、抗倾覆稳定及地基应力满足要求。

3.2 闸室结构分析

3.2.1 中墩强度分析

计算工况为正常运用情况，水库水位40.37 m，闸门关闭。

（1）门槽配筋计算。门槽颈部承受的压力计算公式为：

式中：A1为门槽颈部前闸墩水平截面积（m2）；A为闸墩水平截面积（m2）；P为沿闸墩高度为1 m的门槽上左、右闸门传来的水压力（kN）。

（2）门槽颈部所产生的拉应力计算公式为：

式中：P1为门槽颈部承受的压力（kN）；b为门槽底宽（mm）。

经计算，得出σ1=0.75 N/mm2，小于R200混凝土允许拉应力1.1 N/mm2。根据溢洪道中墩钢筋竣工图，闸墩门槽配筋为4φ25（5号钢筋），故原设计强度满足要求。

（3）中墩门槽颈部的截面尺寸分析。根据抗裂强度要求，按不允许出现裂缝的轴心受拉构件计算：

式中：Ns为由荷载标准值按荷载效应长期组合计算的轴向力值（kN），取374.4 kN；αct为混凝土拉应力限制系数，对荷载效应的长组合取0.85；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值（N/mm2），取1.59 N/mm2；AO为换算截面面积（m2），取门槽沿闸墩高1 m的断面面积，不考虑钢筋换算面积，取0.5 m2。

经计算，得出αct ftkA0=637.5 kN＞Ns=374.4 kN，闸墩门槽颈部的截面尺寸满足强度要求。

（4）中墩底部最大应力及门槽混凝土承压强度分析。设计水位下溢洪道单孔泄洪时，中墩底部侧向最大应力选取闸门槽处断面计算：

经计算，中墩底部最大应力及门槽混凝土配筋满足强度需要。

3.2.2 机架桥安全分析

机架桥主梁为简支T型梁，是钢筋混凝土结构，底宽0.25 m，高1.2 m，翼缘板厚0.15 m，钢筋采用5号钢筋，混凝土为R250。根据《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191-1996），机架桥为1级建筑物，结构重要性系数为1.1，计算配筋面积为6 908 mm2，现配受拉钢筋为8φ30+2φ25，面积为6 637 mm2，计算配筋面积与实际配筋面积差值小于计算配筋面积的5%，满足设计要求。

3.2.3 泄槽底板稳定分析

泄槽全长151.0 m，分为3段，坡降分别为1∶50、1∶150、1∶125。底板均设有砂浆锚杆，锚杆为L120 cm、φ19＠200 cm。底板下设纵横向排水管，横向排水管预埋φ20缸瓦花管；纵向排水管中间为排水带25 cm×25 cm，两侧设φ34混凝土滤水管，中心线距离底板高程30 cm。泄槽底板采取了有效的防渗、排水、锚固等措施，满足稳定要求。

4 结论

陡河水库溢洪道于1971年水库续建时完成，1988年提高保坝标准时对下游挑坎和陡槽边墙进行了加固，建成至今尚未过流。经复核，溢洪道闸室结构的稳定性能满足规范要求，结构内力分析和配筋计算均符合规范要求；泄流能力满足调度运行要求，消能防冲满足要求；闸室抗震稳定性及结构强度满足规范要求。