基于混凝土溢流坝最优布置方案的选择

谭立清，邵明贵

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳110006)

1 引言

在重力坝的设计中溢流坝段的布置方案至关重要，因为它直接关系到重力坝枢纽投资大小，最佳的溢流坝布置方案可以使工程投资最少。溢流坝段的布置主要为堰顶高程和泄流净宽的选择。溢流坝段的布置要考虑很多的因素，要综合考虑水库的规模、河道的水文条件、坝下河床的抗冲能力，下游河道防洪标准以及库区淹没等。在满足各项要求的条件下有多种溢流坝段堰顶高程和泄流净宽的选择，从中找出最优布置方案是一个非常繁琐和耗时的过程。以下根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319－2005)坝顶高程计算公式来说明溢流坝最优布置方案的选择方法。

2 重力坝坝顶高程的计算

重力坝坝顶高程按照《混凝土重力坝设计规范》(SL319－2005)规定:水库静水位+坝顶超高，坝顶超高计算公式为:

式中:△h为防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m;h1%为波高，m;hz为波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m;hc为安全加高，m。

从以上重力坝坝顶高程的计算公式中可以看出，坝顶超高△h为防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差。在正常蓄水位的工况下，波浪要素计算采用的风速值为重现期50 a的年最大风速;在校核洪水位的情况下波浪要素计算采用的风速值为多年平均最大风速。重现期为50 a的风速大于多年平均最大风速，因此正常蓄水位情况下计算出的波浪超高要素值大于校核洪水位情况下波浪超高要素值。水库的校核洪水位高于正常蓄水位，因此，在某一堰顶高程(泄流净宽)情况下，就对应一种泄流净宽(堰顶高程)，正常蓄水位工况和校核洪水位工况算出的坝顶高程相同，这时的溢流坝布置方案就为该堰顶高程(泄流净宽)的最优布置方案。在堰顶高程不变的情况下，我们继续增加溢流坝段的泄流宽度，就会使校核洪水位降低，但坝顶高程不变，因为此时坝顶高程是由正常蓄水位控制，增加溢流坝段的长度，反而增加了工程投资。同时，在泄流净宽不变的情况下，继续降低堰顶高程，会使校核洪水位降低，但坝顶高程同样不变，因为坝顶高程同样是由正常蓄水位控制，降低堰顶反而增加了闸墩的长度，增加了金属结构的工程量，也同样会增大投资。按照正常蓄水位和校核洪水位算出的坝顶高程相等的原则，对于溢流坝的每一个堰顶高程总会有一个泄流宽度与之对应，选定几组进行投资比较计算，可以从中找出最佳溢流坝布置方案。采用以上方法一般选择3～4组进行布置和工程量投资计算，从中选择投资最优布置方案。

3 溢流坝段最佳布置方案选择过程

3.1 确定坝顶高程

根据规划给定的正常蓄水位，按照《混凝土重力坝设计规范》(SL319－2005)的坝顶高程计算公式，计算出坝顶高程。

3.2 推算校核洪水位

根据已算出的坝顶高程，考虑风浪要素等推算出校核洪水位。

3.3 拟定堰顶高程和泄流净宽

拟定几个堰顶高程，然后根据已有的校核洪水位，通过调洪来试算出每一堰顶高程所对应的泄流宽度。在拟定堰顶高程和泄流净宽时，要与金属结构专业配合考虑闸门的合理布置。坝段的长度，也是闸门宽度选择所需考虑的因素，过宽的闸门布置可能会使溢流坝段和门库坝段长度过长，超出规范规定，对大坝温度应力不利。在闸门孔数小于8孔时，一般选奇数孔闸门布置，当孔数超过8孔时，可选择奇数孔也可以选择偶数孔。单孔净宽选择考虑闸门的最优体形布置，合理的高宽比，在北方地区选择范围一般为10～15 m。

3.4 进行枢纽布置，计算工程量

根据选定的几组堰顶高程和泄流净宽，进行枢纽布置，算出工程量和投资，并进行比较选出最佳布置方案。

以上最优方案的选择在溢流坝敞泄，同时无其他的泄流设施参与泄洪时，是一个行之有效方法，根据笔者的实际工作经验，采用此种方法能够很快找到溢流坝最优布置方案。

4 工程实例

猴山水库工程位于辽宁省绥中县狗河中游，工程等别为II等，工程规模为大(2)型，挡水建筑物为混凝土重力坝。重力坝由左右岸挡水坝段、河床溢流坝段、引水坝段和门库坝段组成，最大坝高50 m。水库不承担下游防洪任务，主要是向滨海经济区供水，并兼顾灌溉的大型综合利用水利枢纽工程，水库正常蓄水位为134.0 m。

根据以上介绍的方法来选择溢流坝段的最佳布置。

4.1 计算坝顶高程

重现期为50 a的水库最大风速为20 m，吹程为3 km，计算防浪墙顶高程为137.3 m，坝顶高程为135.24 m。

4.2 计算校核洪水位

根据正常蓄水位和校核洪水位计算坝顶高程相等的原则，由以上算出的坝顶高程来推算校核洪水位。多年平均最大风速为14.4 m，吹程为3.3 km，推算出校核洪水位为135.24 m。

4.3 拟定堰顶高程和泄流净宽

拟定3个堰顶高程分别为118.5 m、120.0 m和121.5 m，闸门挡水高度分别为15.5 m、14.0 m和12.5 m。根据以上推算出的校核洪水位，来试算泄流净宽，经计算泄流净宽分别为49 m、56 m和65.5 m。通过与金属结构专业配合，考虑闸门挡水超高，选择闸孔布置分别为12.25 m×16 m×4(宽×高 × 孔 数)、14 m×14.5 m×4(宽 × 高 × 孔 数)和13.1 m×13 m×5(宽×高×孔数)。

4.4 进行枢纽布置，计算工程量

按以上选定的各组堰顶高程和相对应的闸孔布置方案，进行工程量计算并估算投资，投资比较见表1。

表1 不同堰顶高程与泄流净宽方案投资比较表万元

通过比较可以发现堰顶高程120.0 m，泄流净宽56 m(4孔)方案投资比较经济。

5 结束语

本文通过工程实例来说明混凝土溢流坝段最佳布置方案的选择过程。根据正常蓄水位和校核洪水位计算坝顶高程相等的原则，来推算校核洪水位，并进而选择堰顶高程和泄流净宽布置方案，最后通过比较选出最佳溢流坝段布置方案。希望本文介绍的方法能为其它类似工程的设计提供参考。