【摘 要】 對(duì)于存在安全隱患的水庫(kù)必須采取相應(yīng)的除險(xiǎn)加固措施，以保證水庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保護(hù)下游人民財(cái)產(chǎn)不受洪水侵害。某水庫(kù)溢洪道存在較多安全隱患，在確定了溢洪道工程總布置后，分別從泄流能力計(jì)算、陡槽水力計(jì)算、消能計(jì)算、海漫長(zhǎng)度計(jì)算、防沖槽深度計(jì)算、穩(wěn)定驗(yàn)算方面進(jìn)行病險(xiǎn)水庫(kù)溢洪道加固設(shè)計(jì)。
【關(guān)鍵詞】 溢洪道；問(wèn)題；加固設(shè)計(jì)；工程布置；水力計(jì)算
水庫(kù)除了為人們提供日常生活、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)用水之外，還在防御洪水災(zāi)害發(fā)揮著不可替代的作用。但由于水庫(kù)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理中存在的問(wèn)題，部分水庫(kù)達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，水庫(kù)設(shè)施和各種設(shè)備不斷老化，有些水庫(kù)工程存在較嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，尤其是溢洪道，損壞嚴(yán)重。因此，有必要對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，使水庫(kù)發(fā)揮其作用，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。
1 工程概況
某水庫(kù)是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪和養(yǎng)殖等�。á瘢┬退畮�(kù)，該水庫(kù)控制流域面積22.54km2，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，50年一遇洪水校核。水庫(kù)溢洪道位于大壩右端，為開(kāi)敞式溢洪道，堰寬15.0m，堰頂高程277.00m，最大泄量21.30m3/s。
2 溢洪道存在的問(wèn)題
溢洪道進(jìn)口處和控制段已經(jīng)被損壞，兩側(cè)石擋墻砌石出現(xiàn)很大的裂縫和傾斜，消力池及海漫已被洪水沖毀，這樣的質(zhì)量通病已經(jīng)影響水庫(kù)正常泄洪，危及水庫(kù)大壩安全。溢洪道應(yīng)拆除重建，確證大壩的安全使用。
3 溢洪道工程設(shè)計(jì)
3.1 溢洪道布置方案比較
根據(jù)工程現(xiàn)狀，選定三個(gè)樞紐布置方案進(jìn)行比較。見(jiàn)表1。
方案一：溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+486處（寬頂堰在原位置），開(kāi)敞式岸邊溢洪道；
方案二：溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+486處（寬頂堰在壩軸線上），開(kāi)敞式岸邊溢洪道；
方案三：溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+450處。經(jīng)比較，方案三經(jīng)濟(jì)合理，投資最少，故選方案三。（如表1）
3.2 工程布置及結(jié)構(gòu)形式
開(kāi)敞式溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+450處，由進(jìn)口U型槽、控制段、陡槽、消力池、海漫等組成。
進(jìn)口鋼筋混凝土U型槽總長(zhǎng)17.2m，其中第一段長(zhǎng)8.5m，底寬為17.8m，底高程275.55m，底板厚0.50m；第二段長(zhǎng)8.7m，底板用1：6反坡與堰頂連接，底寬17.8m～15.8m，底板厚0.50m。控制段鋼筋混凝土U型槽長(zhǎng)4.5m，底凈寬為15m，堰頂高程277.00m，底板厚1.0m。堰頂上部設(shè)交通橋。陡槽U型槽長(zhǎng)8.6m，底坡1：6，底寬15.8m，底高程為277.00～274.85m，底板厚0.70m。陡槽后接消力池。消力池鋼筋混凝土U型槽長(zhǎng)8.8m，底寬15.8m，池深0.50m。底板高程274.85m，底板厚0.80m，消力池底板上布置排水孔，以減小壓力，增強(qiáng)底板穩(wěn)定性。海漫采用干砌石梯形斷面，總長(zhǎng)16.90m，底寬15.80m，邊坡1：1.5。護(hù)坡護(hù)底采用30cm厚干砌石，下設(shè)20cm厚礫石墊層和10cm厚粗砂墊層，底高程為275.35～275.32m。
3.3 水力計(jì)算
3.3.1 泄流能力計(jì)算
式中：Q—泄流量（m3/s）；
H0—包括行進(jìn)流速在內(nèi)的堰上總水頭；
ε—側(cè)收縮系數(shù)；
g—重力加速度，g＝9.81m/s2；
m—流量系數(shù)。
式中：n—孔口數(shù)目；
b—孔口凈寬；
k—兩側(cè)邊墩形狀，取k=0.7；
ε=0.98。
經(jīng)計(jì)算：Qmax設(shè)計(jì)＝8.93m3/s>7.91m3/s
Qmax校核＝27.3m3/s>21.3m3/s，均滿足泄量要求。
3.3.2 陡槽水力計(jì)算
�。�1）臨界水深hk及臨界坡降ik。
�。�2）陡槽流速及摻氣水深。
摻氣高度hB=vh/100，h為不考慮摻氣時(shí)的水深，水面線計(jì)算詳見(jiàn)表2。
3.3.3 消能計(jì)算
⑴判別出口水面銜接形式。先按陡槽與下游尾水渠直接連接的情況計(jì)算，下游尾水渠底寬b=15.8m，m=1.5，n=0.033，i=1/500。
經(jīng)計(jì)算：下游渠道首端水深ht=0.63m。
�、婆袛嗍欠裥枰藿ㄏΤ亍�
式中：hc—收縮水深（m）；
—水流動(dòng)能校正系數(shù)，取1.05；
T0—由消力池底板頂面算起的總勢(shì)能（m）；
q—過(guò)閘單寬流量（m3/s/m）。
試算求得hc=0.18m。
式中：hc″—躍后水深（m）；
b1—消力池首端寬度（m）；
b2—消力池末端寬度（m）。
計(jì)算求得hc″=1.55m，hc″>ht=0.63m，將發(fā)生遠(yuǎn)趨勢(shì)水躍，需修建消力池。
�。�3）池深計(jì)算。
式中：d—消力池深度（m）；
σ0—水躍淹沒(méi)系數(shù)；
△Z—出池落差（m）；
hs—出池河床水深；
經(jīng)試算：d=0.5m，σ0＝1.07。
�。�4）消力池水平段池長(zhǎng)計(jì)算。
L水平=βLj
Lj=6.9（hc″－h(huán)c）
式中：Lsj—消力池長(zhǎng)度（m）；
L水平—消力池水平段長(zhǎng)度（m）；
β—水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，取0.8；
Lj—水躍長(zhǎng)度（m）。
經(jīng)計(jì)算：L水平=7.50m，d=0.5m，假定的消力池池深是合適的。 3.3.4 海漫長(zhǎng)度計(jì)算
式中：L—海漫長(zhǎng)度（m）
K—海漫長(zhǎng)度校正系數(shù)；
△H—上下游水頭差；
q—海漫出口處單寬流量。
計(jì)算得L=9.56m，取L=10m。
3.3.5 防沖槽深度計(jì)算
根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001），海漫末端溝槽沖刷深度可按下式計(jì)算：
式中：dm—海漫末端溝槽沖刷深度（m）；
qm—海漫末端單寬流量（m3/s/m）；
hm—海漫末端水深（m）；
[v0]—溝槽土質(zhì)允許不沖流速，取0.85（m/s）。
經(jīng)計(jì)算dm=1.75m，采用防沖槽深度為dm=1.5m，采用底寬1.5m，上游坡為1：2，下游坡為1：2。
3.3.6穩(wěn)定驗(yàn)算
�。�1）土基上沿堰基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下：
式中：Kc—沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；
f—閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.40；
ΣH—作用在閘室上的水平力之和（KN）；
ΣG—作用于閘室上的全部垂直荷載。
�。�2） 基底應(yīng)力計(jì)算公式：
式中：Pmax、Pmin—最大、最小應(yīng)力，KPa；
ΣG—作用于閘室上的全部垂直荷載；
ΣM—作用于閘室基底面的全部荷載對(duì)基底面垂直水流流向形成的力矩；
A—閘室基底面面積，m2；
W—閘室基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。
堰體穩(wěn)定計(jì)算按設(shè)計(jì)水位情況，計(jì)算成果見(jiàn)表3。
由地質(zhì)報(bào)告可知，閘基礎(chǔ)為低液限粘土，地基承載力為160kpa 左右。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（SL265-2001）規(guī)定：特殊組合基底允許應(yīng)力比為2.5，本次計(jì)算的抗滑穩(wěn)定系數(shù)為3，應(yīng)力比為1.33，抗滑穩(wěn)定系數(shù)及基底應(yīng)力均滿足要求。
4 結(jié)束語(yǔ)
在病險(xiǎn)水庫(kù)加固設(shè)計(jì)中，溢洪道工程是整個(gè)樞紐工程的關(guān)鍵和重點(diǎn)，它與大壩加固方案相互影響，相互制約，不僅影響工程的加固效果與加固投資，還直接關(guān)系水庫(kù)泄洪對(duì)下游沿河及庫(kù)區(qū)的淹沒(méi)影響，應(yīng)多方案綜合分析比較后確定最佳方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 許春波；程玉珍.九里水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)[J].黑龍江水利科技，2011年06期.
[2] 李楊.東溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程溢洪道設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2012年08期.
【關(guān)鍵詞】 溢洪道；問(wèn)題；加固設(shè)計(jì)；工程布置；水力計(jì)算
水庫(kù)除了為人們提供日常生活、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)用水之外，還在防御洪水災(zāi)害發(fā)揮著不可替代的作用。但由于水庫(kù)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理中存在的問(wèn)題，部分水庫(kù)達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，水庫(kù)設(shè)施和各種設(shè)備不斷老化，有些水庫(kù)工程存在較嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，尤其是溢洪道，損壞嚴(yán)重。因此，有必要對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，使水庫(kù)發(fā)揮其作用，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。
1 工程概況
某水庫(kù)是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪和養(yǎng)殖等�。á瘢┬退畮�(kù)，該水庫(kù)控制流域面積22.54km2，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，50年一遇洪水校核。水庫(kù)溢洪道位于大壩右端，為開(kāi)敞式溢洪道，堰寬15.0m，堰頂高程277.00m，最大泄量21.30m3/s。
2 溢洪道存在的問(wèn)題
溢洪道進(jìn)口處和控制段已經(jīng)被損壞，兩側(cè)石擋墻砌石出現(xiàn)很大的裂縫和傾斜，消力池及海漫已被洪水沖毀，這樣的質(zhì)量通病已經(jīng)影響水庫(kù)正常泄洪，危及水庫(kù)大壩安全。溢洪道應(yīng)拆除重建，確證大壩的安全使用。
3 溢洪道工程設(shè)計(jì)
3.1 溢洪道布置方案比較
根據(jù)工程現(xiàn)狀，選定三個(gè)樞紐布置方案進(jìn)行比較。見(jiàn)表1。
方案一：溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+486處（寬頂堰在原位置），開(kāi)敞式岸邊溢洪道；
方案二：溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+486處（寬頂堰在壩軸線上），開(kāi)敞式岸邊溢洪道；
方案三：溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+450處。經(jīng)比較，方案三經(jīng)濟(jì)合理，投資最少，故選方案三。（如表1）
3.2 工程布置及結(jié)構(gòu)形式
開(kāi)敞式溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+450處，由進(jìn)口U型槽、控制段、陡槽、消力池、海漫等組成。
進(jìn)口鋼筋混凝土U型槽總長(zhǎng)17.2m，其中第一段長(zhǎng)8.5m，底寬為17.8m，底高程275.55m，底板厚0.50m；第二段長(zhǎng)8.7m，底板用1：6反坡與堰頂連接，底寬17.8m～15.8m，底板厚0.50m。控制段鋼筋混凝土U型槽長(zhǎng)4.5m，底凈寬為15m，堰頂高程277.00m，底板厚1.0m。堰頂上部設(shè)交通橋。陡槽U型槽長(zhǎng)8.6m，底坡1：6，底寬15.8m，底高程為277.00～274.85m，底板厚0.70m。陡槽后接消力池。消力池鋼筋混凝土U型槽長(zhǎng)8.8m，底寬15.8m，池深0.50m。底板高程274.85m，底板厚0.80m，消力池底板上布置排水孔，以減小壓力，增強(qiáng)底板穩(wěn)定性。海漫采用干砌石梯形斷面，總長(zhǎng)16.90m，底寬15.80m，邊坡1：1.5。護(hù)坡護(hù)底采用30cm厚干砌石，下設(shè)20cm厚礫石墊層和10cm厚粗砂墊層，底高程為275.35～275.32m。
3.3 水力計(jì)算
3.3.1 泄流能力計(jì)算
式中：Q—泄流量（m3/s）；
H0—包括行進(jìn)流速在內(nèi)的堰上總水頭；
ε—側(cè)收縮系數(shù)；
g—重力加速度，g＝9.81m/s2；
m—流量系數(shù)。
式中：n—孔口數(shù)目；
b—孔口凈寬；
k—兩側(cè)邊墩形狀，取k=0.7；
ε=0.98。
經(jīng)計(jì)算：Qmax設(shè)計(jì)＝8.93m3/s>7.91m3/s
Qmax校核＝27.3m3/s>21.3m3/s，均滿足泄量要求。
3.3.2 陡槽水力計(jì)算
�。�1）臨界水深hk及臨界坡降ik。
�。�2）陡槽流速及摻氣水深。
摻氣高度hB=vh/100，h為不考慮摻氣時(shí)的水深，水面線計(jì)算詳見(jiàn)表2。
3.3.3 消能計(jì)算
⑴判別出口水面銜接形式。先按陡槽與下游尾水渠直接連接的情況計(jì)算，下游尾水渠底寬b=15.8m，m=1.5，n=0.033，i=1/500。
經(jīng)計(jì)算：下游渠道首端水深ht=0.63m。
�、婆袛嗍欠裥枰藿ㄏΤ亍�
式中：hc—收縮水深（m）；
—水流動(dòng)能校正系數(shù)，取1.05；
T0—由消力池底板頂面算起的總勢(shì)能（m）；
q—過(guò)閘單寬流量（m3/s/m）。
試算求得hc=0.18m。
式中：hc″—躍后水深（m）；
b1—消力池首端寬度（m）；
b2—消力池末端寬度（m）。
計(jì)算求得hc″=1.55m，hc″>ht=0.63m，將發(fā)生遠(yuǎn)趨勢(shì)水躍，需修建消力池。
�。�3）池深計(jì)算。
式中：d—消力池深度（m）；
σ0—水躍淹沒(méi)系數(shù)；
△Z—出池落差（m）；
hs—出池河床水深；
經(jīng)試算：d=0.5m，σ0＝1.07。
�。�4）消力池水平段池長(zhǎng)計(jì)算。
L水平=βLj
Lj=6.9（hc″－h(huán)c）
式中：Lsj—消力池長(zhǎng)度（m）；
L水平—消力池水平段長(zhǎng)度（m）；
β—水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，取0.8；
Lj—水躍長(zhǎng)度（m）。
經(jīng)計(jì)算：L水平=7.50m，d=0.5m，假定的消力池池深是合適的。 3.3.4 海漫長(zhǎng)度計(jì)算
式中：L—海漫長(zhǎng)度（m）
K—海漫長(zhǎng)度校正系數(shù)；
△H—上下游水頭差；
q—海漫出口處單寬流量。
計(jì)算得L=9.56m，取L=10m。
3.3.5 防沖槽深度計(jì)算
根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001），海漫末端溝槽沖刷深度可按下式計(jì)算：
式中：dm—海漫末端溝槽沖刷深度（m）；
qm—海漫末端單寬流量（m3/s/m）；
hm—海漫末端水深（m）；
[v0]—溝槽土質(zhì)允許不沖流速，取0.85（m/s）。
經(jīng)計(jì)算dm=1.75m，采用防沖槽深度為dm=1.5m，采用底寬1.5m，上游坡為1：2，下游坡為1：2。
3.3.6穩(wěn)定驗(yàn)算
�。�1）土基上沿堰基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下：
式中：Kc—沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；
f—閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.40；
ΣH—作用在閘室上的水平力之和（KN）；
ΣG—作用于閘室上的全部垂直荷載。
�。�2） 基底應(yīng)力計(jì)算公式：
式中：Pmax、Pmin—最大、最小應(yīng)力，KPa；
ΣG—作用于閘室上的全部垂直荷載；
ΣM—作用于閘室基底面的全部荷載對(duì)基底面垂直水流流向形成的力矩；
A—閘室基底面面積，m2；
W—閘室基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。
堰體穩(wěn)定計(jì)算按設(shè)計(jì)水位情況，計(jì)算成果見(jiàn)表3。
由地質(zhì)報(bào)告可知，閘基礎(chǔ)為低液限粘土，地基承載力為160kpa 左右。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（SL265-2001）規(guī)定：特殊組合基底允許應(yīng)力比為2.5，本次計(jì)算的抗滑穩(wěn)定系數(shù)為3，應(yīng)力比為1.33，抗滑穩(wěn)定系數(shù)及基底應(yīng)力均滿足要求。
4 結(jié)束語(yǔ)
在病險(xiǎn)水庫(kù)加固設(shè)計(jì)中，溢洪道工程是整個(gè)樞紐工程的關(guān)鍵和重點(diǎn)，它與大壩加固方案相互影響，相互制約，不僅影響工程的加固效果與加固投資，還直接關(guān)系水庫(kù)泄洪對(duì)下游沿河及庫(kù)區(qū)的淹沒(méi)影響，應(yīng)多方案綜合分析比較后確定最佳方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 許春波；程玉珍.九里水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)[J].黑龍江水利科技，2011年06期.
[2] 李楊.東溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程溢洪道設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2012年08期.
