山西省和顺县恋思水库溢洪道工程选址及设计

刘黎明

(山西省晋中市水利建筑工程总公司，山西晋中 030600)

1 工程概况

恋思水库工程是以工业和城市生活供水为主，同时兼顾灌溉与防洪等综合利用的中型水库。

工程分枢纽工程和供水工程两大部分。枢纽工程主要由大坝、溢洪道和泄洪隧洞三大件组成，设计坝型为均质土坝，坝高30．3 m，库容1 600 万 m3，为中型水库。

2 方案比选

可研阶段对溢洪道的布置进行了左、右岸分别布置方案的比选，最后确定溢洪道布置在大坝左岸。水利厅对《可研报告》的审查意见为“溢洪道位于大坝右岸，为开敞式溢洪道，全长290．5 m，最大泄量299．52 m3/s，采用梯形断面，底板及侧墙均采用混凝土衬砌，出口采用挑流消能，溢洪道开挖量大，下阶段进一步比较侧槽式方案，根据运用要求，合理确定堰顶高程，优化溢洪道布置”。

根据《可研报告》审查意见，本阶段对溢洪道规模进行了复核，经复核仍维持原工程规模。本次设计对左、右岸方案又进行了进一步的比选，并增加了侧槽式方案的比选。

2．1 左、右岸方案比选

左、右岸的地形、地质条件均适宜修建溢洪道。

根据地质报告，左岸布置为土基溢洪道，需全断面衬砌，而且和顺县气温较低，溢洪道衬砌需进行防冻设计。

经过比较，左岸溢洪道轴线全长460 m，比右岸溢洪道长170 m，而且弯道段较长，水力条件较右岸差;出口水流如果顺直，流向主河槽，溢洪道轴线将更长;左岸溢洪道将会增加改线公路的长度;左岸溢洪道工程直接投资比右岸溢洪道多130万元。综合考虑地形、地质和投资，确定溢洪道布置方案为右岸开敞式溢洪道。

2．2 侧堰溢洪道方案

根据水利厅对可研报告的审查意见，初设阶段需进一步比较侧槽式方案。

根据水力计算，侧堰溢洪道进口堰顶高程为1 349 m。从地形图上布置侧堰溢洪道来看:如果侧堰进口堰高为现状基岩，则与泄洪洞进口布置相互影响;如果侧堰部分堰高采用人工砌筑，进口布置向下游偏移，则侧堰进口离大坝坝脚太近，影响大坝安全。经过综合分析比较，侧堰溢洪道对该工程不适合。

3 溢洪道布置

溢洪道布置在泄洪洞与右坝头之间，中心轴线距右坝头16 m，梯形断面，边坡为1∶0．5。主要由引渠段、缓坡段、泄槽段、挑流段和尾水渠组成，底宽12 m，全长412 m，溢洪道布置有两个弯道段，基础均坐落在新鲜基岩上。溢洪道相应水库设计洪水位(p=2%)1 352 m和校核洪水位(p=0．1%)1 354．1 m的泄量分别为123．6 m3/s和 300 m3/s。

3．1 水力计算

根据兴利调节计算，多年调节正常水位为1 349 m(相应库容947万m3)，将其作为溢洪道的进口底高程，亦即溢洪道进口底板高程为1 349 m。

3．1．1 溢洪道水面线推求

校核洪水位时，溢洪道最大泄量为300 m3/s。

首先，计算陡坡起点处临界水深hk，计算公式:

其中，α为动能修正系数，取α=1;WK为断面面积，WK=(12+0．5hk)hk;Bk为水面宽度，Bk=12+0．5hk;Q为溢洪道最大泄量，Q=300 m3/s。

然后以陡坡起点高程为基准面，求其他断面水深，基本能量方程为:

其中，Ek为陡坡起点处断面能量，m;Hi为所求断面底板至陡坡起点处的高差，m;hi为所求断面水深，m;Vi为所求断面流速，m/s;hwi为所求断面至陡坡起点处断面之间的能量损失，所求断面位于陡坡起点处，断面下游时为正值，上游时为负值。

经计算，各断面主要成果见表1。

表1 水面线计算成果表

3．1．2 消能计算

溢洪道采用挑流消能方式。

1)校核洪水位情况。

a．尾水位计算。

尾水渠为梯形断面，底宽20 m，根据均匀流计算公式，求出尾水渠的水深为2．5 m。

b．反弧半径R及挑射角。

根据经验，反弧半径R按下式进行计算:

其中，hc为鼻坎面上收缩水深，可按下式进行计算:

经计算，hc=0．92，则反弧半径 R=(3．68 ～9．2)m，根据实际情况，取反弧半径为10．94 m。采用挑射角θ=37°。

c．挑流射程计算。

计算水舌内线和外线的流速系数值:

取 φ2=1．16φ1=1．16 ×0．8=0．93。

则冲刷坑最深点到建筑物基础的距离为:

经计算，内线射程为36 m，外线射程为48 m。

d．冲刷深度。

用经验公式计算可能的冲刷深度:

则 i=t/Lt=0．24 ＜0．25(安全后坡)，能满足要求。

2)设计洪水位。

采用上述方法计算，计算结果为:挑流外线射程为33．42 m，冲坑深度为7．354 m，安全后坡为i=0．148。

为了进一步优化设计，建议下阶段做溢洪道水工模型试验。

3．2 溢洪道结构设计

溢洪道为河岸开敞式，不设闸门。经布置，溢洪道全长412 m，其各部位结构尺寸简述如下:

1)引渠段。

0+000 m～0+040 m段为溢洪道引渠段，根据地形和水流条件，进口为喇叭口，底高程为1 349m，底宽12 m，两侧边坡1∶0．4;根据地形该段设弯道，轴线半径为160 m，开挖断面采用C20混凝土喷浆处理，喷浆混凝土厚10 cm，设φ6的钢筋网和φ18的锚筋与基岩连接，钢筋网间距25 cm×25 cm，锚筋长1 m，间距1 m×1 m，呈梅花形布置。

2)缓坡段。

0+040 m～0+222 m为缓坡段，长182 m，其中0+108 m～0+218 m为弯道段，轴线半径为130 m。底纵坡1/1 000，梯形断面，底宽12 m，两侧边坡为1∶0．4，底板衬砌0．4 m厚的C25混凝土，侧墙衬砌0．3 m厚的C25混凝土，侧墙内侧设一宽度为1．0 m的平台，平台内侧设排水沟。底板高程由1 349m降至1 348．82m，侧墙顶高程由1 354．40 m降至1 353．82 m。底板及侧墙底部均设Φ25的锚筋，锚筋间距为2 m×2 m，埋深1．5 m，呈梅花形布置。左侧墙衬砌以上开挖基岩断面采用C20混凝土喷浆处理，喷浆混凝土厚10 cm，设φ6的钢筋网和φ18的锚筋与基岩连接，钢筋网间距25 cm×25 cm，锚筋长1 m，间距1 m×1 m，呈梅花形布置。

3)泄槽段。

0+222m～0+277．5m为泄槽段，底纵坡1/3，水平投影长度55．5 m，其中:0+222 m～0+262 m为梯形断面，底宽12 m，两侧边坡为 1∶0．4，0+262m ～0+277．5 m 段为渐变段，断面由梯形渐变为矩形。陡坡段侧墙首端顶高程1 353．82 m，末端顶高程1 332．92 m，侧墙内侧设一宽度为1．0 m的平台，平台内侧设排水沟。该段采用C30混凝土衬砌，底板衬砌厚0．4m，侧墙厚0．3m。按构造配筋，底板及侧墙均设置Φ25的锚筋，间距为1．5 m×1．5 m，埋深2 m，呈梅花形布置。

4)挑流段。

0+277．5 m～0+284．5 m为挑流消能段，矩形断面，底宽12 m。底板及侧墙均采用C30混凝土衬砌，挑流消能采用连续重力式鼻坎，鼻坎宽12 m，反弧半径10．94 m，挑射角37°，鼻坎顶高程1 330．32 m，鼻坎顶部设钢板护角，侧墙衬砌设Φ25锚筋，锚筋间距1．5 m×1．5 m，埋深2m，底板及齿墙设Φ25锚筋，锚筋间距1 m×1 m，埋深4 m，呈梅花形布置。

另外不满足侧墙高度要求的部分，采用M7．5浆砌石砌筑。浆砌石迎水面采用C30混凝土衬砌，厚0．3 m。

5)尾水渠段。

根据水力计算，尾水渠底宽20 m，从桩号0+284．5 m到0+315 m底宽由12 m扩散到20 m，其中0+284．5后做20 m的C20混凝土护坦，尾水渠段从桩号0+325m到0+365m段设弯道，弯道半径为100 m。尾水渠段除护坦底板外其余断面均采用C20混凝土喷浆处理，喷浆混凝土厚10 cm，设φ6的钢筋网和φ18的锚筋与基岩连接，钢筋网间距25 cm×25 cm，锚筋长1m，间距1m×1 m，呈梅花形布置。

6)地基与边坡处理、排水系统设计。

由于整个溢洪道坐落在基岩上，溢洪道最大开挖高度约40 m，开挖坡度覆盖层 1∶1、强风化基岩 1∶0．75、弱风化基岩 1∶0．4。沿边坡高度方向每10 m左右设一条2 m宽平台，并在平台上设30 cm×30 cm(深×宽)的排水沟，排水沟形式为矩形槽，坡度根据地形分别为向上、下游，将水流排入上下游河道即可。整个喷浆边坡设排水孔，与排水沟形成排水系统，排水孔径100mm，间距2 m，梅花形布置，最下一排泄水孔高于溢洪道边墙1 m。

溢洪道底板上共设置25道横缝和2道纵缝;纵横缝均采用652型橡胶止水，底板纵横缝下部均设有相互连通的纵横向排水沟，排水沟内设置φ200的无砂混凝土管，由纵向排水通过挑流鼻坎排至下游河道。

4 吉祥沟洪水

吉祥沟控制流域面积约2．8 km2，为土石山区，p=2%的洪峰流量 12．2 m3/s，洪量为 26 万 m3。

吉祥沟出口与溢洪道和泄洪洞尾水渠相交，为了避免吉祥沟洪水对建筑物造成威胁，此次设计在泄洪洞右侧修建浆砌石拦洪堤，将吉祥沟洪水拦入泄洪洞尾水渠下游，通过泄洪洞尾水渠将吉祥沟洪水送入下游河道。

5 结语

1)经过综合分析比较，侧堰溢洪道对该工程不适合。2)综合考虑地形、地质以及投资，最终确定溢洪道布置方案为右岸开敞式溢洪道。