水库泄水建筑物结构型式的设计研究

贾刚

（贵州春晓博浩工程技术咨询工程有限公司 贵州贵阳 550000）

泄水建筑物是水库工程中的一项重要结构，通过对泄洪建筑物进行合理应用，能够确保水利枢纽，以水工建筑物在具体应用过程中规定安全性，从而达到减少洪涝灾害的作用。为了确保泄水建筑物的作用能够得到合理发挥，必须要对水库建筑物进行合理分析，保证最终设计的水库泄洪建筑物结构形式的合理性。

1 工程特征水位

娃二沟水库总库容63.7万m3，正常蓄水位1768.00m，死水位1755.50m，正常蓄水位以下库容50.8万m3，兴利库容44.8万m3，细石C15混凝土砌毛石重力坝最大坝高32.00m。

2 开敞式溢洪道

溢洪道采用表孔溢流，结合河床宽度，溢洪道宽度不宜超过5m。为合理确定表孔尺寸，开展了三个方案尺寸的比选，成果如表1所示。

表1 泄洪孔口方案比较

由表1可知，溢洪道采用不设闸方案3，大坝高度稍高，溢洪道宽度选择结合下游河床宽度。方案2与方案3比较投资增加18.41万元，由于河床比降较大，河谷狭窄为（4～5m），河床开挖比边坡处理措施增加，最不经济，不予推荐；方案1与方案3比较投资增加7.06万元，由于管理运行比较复杂，坝体方量减少不大[1]。因此，溢洪道孔口尺寸以方案3为最优，作为溢洪道推荐方案。

3 泄水建筑物结构设计

3.1 上游堰面曲线

上游堰头曲线采用椭圆曲线，按《重力坝设计规范》（SL319—2018）的公式为：

式中：aHd、bHd－椭圆曲线长半轴和短半轴（当 P1/Hd≥2 时，a=0.28~0.3，a/b=0.87+3a；当 P1/Hd＜2 时，a=0.215~0.28，b=0.127~0.163；当 P1/Hd小时，a与b取小值），取a=0.267，则b=0.133。

根据以上参数，式（1）简化为式（2）：

3.2 下游堰面曲线

表孔堰顶下游曲线采用《重力坝设计规范》（SL319—2005）附录A中的WES幂曲线，其公式为：

式中：Hd——堰面曲线定型设计水头，取Hd=0.91Hmax=1.7m；

n——与上游堰坡有关的指数，取n=1.85；

k——与P1/Hd有关的系数，取k=2.00。

根据以上参数，经计算得上游堰面曲线为：Y=0.318×1.85。

3.3 台阶溢流面

台阶数为26，台阶尺寸为0.6m×0.8m（宽×高）。

3.4 反弧段曲线

参照其他工程，结合工程布置条件最终确定反弧半径为R=5.00m、中心角53.13°。反弧段上接下游台阶溢流面，下接消力池[2]。

4 台阶与底流消能计算

4.1 台阶消能计算

根据枢纽布置，溢洪道消力池后与原河道相接。本工程采用溢流面台阶消能与消力池联合消能的方式，台阶消能段长度水平为15.6m，台阶宽度为0.6m，高度为0.8m，共26个台阶[3]。消能防冲标准按10年一遇洪水，下泄流量为8.6m3/s。

4.1.1 水流流态

台阶消能段底坡坡度为53.13°（大于27°），可能为分离流，分离流的临界值按式（4）计算如下：

式中：dc——临界水深，m；

经水面线计算过程中可知为0.78m；

h——台阶的步高，m；h=0.8m；

l——步长，m；l=0.6m。

4.1.2 均匀水深和出现均匀掺气水流的距离的计算

采用南京水利科学研究院的经验公式计算均匀水深d0和出现均匀掺气水流的距离L2：

经计算得d0=0.46m；l2=11.57m。

4.1.3 消能率的计算

根据以下公式计算消能率：

式中：H堰——坝址以上堰高，m；

H——堰上水头，m；

经计算得：η=89.8%。

4.2 底流消能计算

由下式计算消力池的结构尺寸，溢洪道消能防冲设计按规范《溢洪道设计规范》（SL253—2018）附录A.6中公式进行计算，计算公式如下：

式中：h2——自由水跃共轭水深，m；

h1——收缩断面水深，m；

Fr1——收缩断面弗劳德数；

v1——收缩断面流速，m/s；

L——水跃长度，m。

式中：d——池深，m；

σ——水跃淹没，可取=1.05；

h2——池中发生临界水跃是的跃后水深，m；

ht——消力池出口下游水深，m；

△Z——消力池尾部出口水面跌落，m；

Q——流量，m3/s；

经计算得：根据规范规定消能池长度及消能池深度计算，计算得，消力池长度Lk=9.3~12.6m，消力池深度。实际取Lk=10.0m，消力池底板高程取1742.50m[5]。

5 消力池抗浮稳定计算

5.1 消力池抗浮稳定按式（8）计算

式中：kf——消力池抗浮稳定安全系数，可取1.0～1.2；

P1——护坦自重，kN；

P2——护坦顶面的时均压力，kN；

P3——当采用锚固措施时，地基有效重量kN；

Q1——护坦顶面上的脉动压力，kN；

Q2——护坦底面上的扬压力，Q2kN；

经过计算，当宣泄消能防冲洪水流量时，kf=1.4，满足规范要求。

5.2 消力池边墙稳定计算

消力池边墙稳定按抗剪强度公式计算，公式如下：

式中：Kc——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数。

基本组合情况k≥1.05，特殊组合情况k≥1.00；

f——边墙混凝土与基岩接触面的抗剪摩擦系数，取f=0.45；

∑W——作用于边墙上的全部荷载对计算滑动平面的法向分值，kN；

∑P——作用于边墙上的全部荷载对计算滑动平面的切向分值，kN。

由表2可知，消力池边墙抗剪安全系数满足规范要求。

表2 边墙抗滑稳定计算成果

6 结束语

水库泄水建筑物结构型式的设计是一项复杂工作，具体设计结果会受多方面因素影响，在实际设计过程中，要做好相应分析工作，保证设计的水库泄水建筑物工程的安全、经济、施工、维护等各项内容多能够满足水库工程需求，从确保最终设计的泄水建筑物结构型式能够满足水库工程在日后应用过程中的需求，保证水库工程在应用过程中不会出现安全问题，降低灾害的发生概率。