河中水库溢洪道设计浅析

陆晓英

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司云南分院，云南 昆明 650000）

0 前言

河中水库位于云南省临沧市云县爱华镇。拟建水库流域所在河流为南箐河，属澜沧江流域澜沧江水系，位于澜沧江中段左岸二级支流南箐河上游。

河中水库的工程任务为：农业灌溉兼顾灌区人畜饮水。河中水库的修建，可将项目区内人畜用水的水源由山箐水调整为水库库水，显著提高人畜用水的保证率，从根本上解决人畜用水水源安全问题。

河中水库总库容370.00万m3，水库属山区工程，根据《防洪标准》（GB 50201-2014）、《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）规定，本工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物大坝、导流输水隧洞、溢洪道为4级，次要建筑物输水管道及其附属建筑物、管理房、进场道路、临时建筑物等为5级。

1 溢洪道轴线布置方案比选

根据现场踏勘结合地形条件，溢洪道可布置于河道的左、右两岸，左、右岸溢洪道方案比选情况如下：

1.1 地质条件

左岸轴线地形起伏较大，岸坡由NNE转为NE向，自然坡度27°～30°。溢洪道全线基岩出露，岩性为三叠系中统忙怀组（T2m）片麻岩，变晶结构，片麻状构造。全风化层厚6 m～10 m，呈砂状或土状，承载力350 kPa,变形模量40 MPa；强风化层厚10 m，建议承载力1.2 MPa；相较左岸，右岸轴线地形起伏更大，轴线0+130处发育一条小冲沟，长为200 m，切割深5 m，沟底宽为3 m～5 m。顺冲沟发育f24断层，走向81°～96°，陡倾角，断层破碎带宽0.3 m～1.0 m，由构造岩、碎裂岩组成，断层呈张扭性。综合比较左岸溢洪道稍优。

1.2 工程布置

溢洪道布置在左岸时，与导流输水隧洞竖井紧邻，结构布置紧凑；溢洪道布置在右岸时，与导流输水隧洞竖井分别位于坝顶两侧，功能分区明确；但地形地质条件差，布置须经过冲沟，须两次转弯，须两级消能。综合比较左岸溢洪道稍优。

1.3 施工条件

溢洪道与导流洞均布置在左岸时，两者相距较近，易造成施工干扰，但可通过合理的施工组织设计予以避开；溢洪道与导流输水隧洞分开布置左右两岸，施工干扰少，且靠近进场道路、管理房及施工生产生活区，交通方便。综合比较右岸溢洪道稍优。

1.4 运行管理

水库管理所位于坝址上游左岸，左岸溢洪道离水库管理所较近（约30 m），有利于日常集中管理；水库管理所位于坝址上游左岸，右岸溢洪道离水库管理所稍远（约270 m），较左岸方案，管理稍显不便。综合比较左岸溢洪道稍优。

1.5 工程投资

左岸溢洪道方案投资约1858.11万元；右岸溢洪道投资约1910.58万元。综合比较左岸溢洪道稍优。

1.6 结论

通过对地质条件，工程布置，施工条件、运行管理及工程投资的综合比较，左岸溢洪道方案具有工程布置合理，投资低、施工干扰小、运行管理方便的优点。故本阶段将左岸溢洪道作为推荐方案。

2 溢洪道堰型拟定

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）（下文简称《规范》），控制堰的形式应根据地形、地质条件、水力条件、运用要求，通过技术经济综合比较选定。堰型可选用开敞式或带胸墙的实用堰、宽顶堰、驼峰堰等型式。本阶段根据现场地形和地质条件，初拟实用堰与宽顶堰进行技术经济比较。根据调洪结果，溢洪道设计流量（P=3.3%）为120 m3/s，校核流量（P=0.33%）为184 m3/s，通过水力计算，初拟实用堰堰顶宽25 m，宽顶堰堰顶宽30 m，溢洪道不同堰型比较主要从流量系数、堰顶宽度、主要工程量、工程投资几方面进行，通过比较，实用堰流量系数大，过流能力强，水流条件好，且工程量少，投资省，故本阶段推荐实用堰。

3 溢洪道工程布置及结构设计

溢洪道布置在左岸坝肩，轴线与坝轴线成90°夹角，为无闸控制开敞式侧槽溢洪道，堰型为实用堰，由侧槽段、调整段、泄槽1段、泄槽2段、底流消能段、海漫段组成，溢洪道全长272.07 m。20年一遇消能防冲洪水位（1665.04 m）时泄流量为107.20 m3/s，30年一遇设计洪水位（1665.18 m）时泄流量为119.81 m3/s，300年一遇校核洪水位（1665.80 m）时泄流量为183.80 m3/s。结构设计见表1。

表1 溢洪道工程布置及结构设计详情

4 溢洪道水力计算

4.1 泄流能力计算

开敞式WES型实用堰的泄流能力按以下公式计算：

计算结果如下：

设计洪水位1665.18 m时，Q计=136 m3/s，Q设=120 m3/s，Q计＞Q设；校核洪水位1665.80 m时，Q计=218 m3/s，Q设=184 m3/s，Q计＞Q设；设计工况及校核工况均满足调洪要求。

4.2 侧槽沿程水面线计算

侧槽长度与溢流堰长度一致为25 m，底宽由4 m渐变为8 m，首端底高程为1657.30 m，末端底高程1657.24 m，槽底纵坡0.0025。侧槽内水流为一典型的空间沿程增加的变量非均匀流，沿程水面线按《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）（以下简称规范）附录A.3.1计算，公式如下：

计算结果见表2。

表2 侧槽内各工况下水面曲线

由以上计算结果可知，在校核洪水时，侧槽首段的水深0.50 m（相对溢流堰堰顶（堰顶高程同正常蓄水位为1663.30 m）），小于堰上水头（校核洪水位-堰顶高程1665.80-1663.30=2.5 m）的一半1.25 m，由此看出侧槽断面设计是合理的。

4.3 泄槽水力计算

溢洪道泄槽，按校核流量工况进行计算，即校核泄量Q=184 m3/s，水面曲线计算根据规范采用分段求和法进行计算。根据计算结果，泄流时的水面曲线并考虑掺气水深，从而确定边墙高度。

根据规范4.4.2条，泄槽的水面线，应根据能量方程用分段求和法，计算公式详见规范，根据规范3.4.5条，泄槽边墙顶高程，应根据波动和掺气水深后的水面线加0.5 m～1.5 m的超高，则泄槽计算结果见表3。

表3 泄槽校核工况（Q=184 m3/s）水面线计算表

4.4 底流消能

消力池采用矩形断面消力池，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）规定，山区、丘陵区水利水电工程的永久性泄水建筑物消能防冲设计的洪水标准，可低于泄水建筑物的洪水标准，本工程为4级建筑物，故取洪水重现期20年下泄流量（107 m3/s）作为消能防冲设计流量。

4.4.1 共轭水深

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）A.6.2式，渐扩式矩形断面消力池，水平护坦上水跃共轭水深h2可按下式计算：

式中：Fr1为收缩断面弗劳德数；h1为收缩断面水深，m；b1为跃前断面宽度，b1=8.0 m；b2为跃后断面宽度，b2=10.0 m。

经计算，共轭水深h2=7.62 m。

4.4.2 自由水跃长度计算：

根据《水力计算手册》（第二版），渐扩式矩形槽中的自由水跃长度可按下式计算：

式中：b1为跃前断面宽度，b1=6.0 m；

θ为侧墙扩散角（侧墙与池中心线的夹角），θ=2.2026°；

经计算，得出水跃长度L=36.44 m。

4.4.3 消力池池深、池长计算

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）A.6.3消力池池深、池长可按下列公式计算：

式中：d为池深，m；σ为水跃淹没度，可取为1.05；h2为池中发生临界水跃时的跃后水深，h2=7.62 m；ht为消力池出口下游水深，ht=2.27 m；ΔZ为消力池尾部出口水面跌落，m；Q为流量，m3/s；b为消力池跃后断面宽度，m；φ为消力池出口段流速系数，可取0.95；L为自由水跃长度，L=36.44 m。

经计算，消力池长度为Lk=25.51 m，取26.0 m，池深为4.3 m，消力池的边墙高度为8.0 m。

5 溢洪道结构稳定计算

5.1 结构稳定计算

5.1.1 侧槽段结构稳定计算

侧槽段结构稳定计算工况均为：校核洪水时，结合实际情况的受力分析，取最危险断面为计算断面（侧槽段边墙和底板为分离式结构，分开计算稳定）。运用理正岩土系列中挡土墙设计计算方法进行验算。岩土相关力学参数根据地质建议参数选取。计算的荷载主要有土压力、水压力、结构自重等，计算时采用各自最不利组合情况。稳定计算参数表见表4，侧槽段稳定计算结果见表5。

表4 稳定计算参数表

表5 侧槽段稳定计算结果

经过验算，侧槽段结构尺寸满足要求。

5.1.2 泄槽段结构稳定计算

计算工况为：校核洪水时，由于陡槽为10 m分一段，计算时只用计算最危险的部分，结合实际情况的受力分析，最危险段为：陡槽与消力池相衔接段（边墙和底板为整体计算）。

采用《中小型水库设计》中计算方法进行校核，取溢0+231.57～溢0+246.07为计算断面。

泄槽底板的滑动稳定可按下式校核：

取底板厚度取1.0 m，进行计算。

计算成果:抗滑稳定安全系数K=0.68，由《规范》表5.3.9-2设计规范得出0.68＜1.05。陡槽不满足抗滑要求。

考虑增加砂浆锚杆锚固措施：根据《规范》B.2.4锚固地基的有效重计算：锚固地基的有效重可按下列公式计算：

经计算，当选用φ25，间距2.0 m，锚筋锚入岩石深度4.5 m时，抗滑稳定安全系数K=2.93，由《规范》表5.3.9-2设计规范得出2.93＞1.05。加锚固措施后，陡槽抗滑稳定满足要求。

5.2 底板厚度计算

5.2.1 泄槽底板厚度计算

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）5.4条文规定，泄槽底板的厚度，应考虑溢洪道的规模及其与坝体的相对位置、沿线的工程地质和水文地质条件、水利特性、气候条件、水流中挟沙情况等因素，并根据类似工程经验进行类比确定。采用《中小型水库设计》中计算公式进行校核。

经计算最大底板厚度为0.907 m，取为1.0 m。

5.2.2 消力池底板厚度计算

消力池底板厚度计算公式采用《中小型水库设计》中的公式进行计算：

式中：hc为跃前收缩断面水深，hc=0.477 m；vc为跃前收缩断面流速，vc=28.05 m/s；α为陡槽末端射流与水平方向所成的角度，α=29.05°。

经计算消能底板厚度为2.18 m，最终取为2.2 m。

5.3 消力池底板抗浮稳定计算

计算工况为：校核洪水时，结合实际情况的受力分析，取消力池整体为计算断面（边墙和底板为整体式结构，整体计算稳定），根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）B.1.2底板的抗浮稳定可按下列公式计算：

经计算,安全系数Kf=2.32，参照《规范》5.6消力池护坦。安全系数Kf取1.0～1.2校核情况下安全系数Kf去下限值，满足要求。

6 结语

本次设计的重点内容为溢洪道的整体布局、结构设计以及水力计算，设计过程中，主要按各相关规范的设计要求进行设计，同时充分考虑工程的技术可行性和经济性，通过分析大坝左右岸地形地质条件、溢洪道不同堰型比选，最终确定左岸无闸控制侧槽溢洪道方案为推荐方案。其设计过程及设计成果可为类似工程提供参考。