土坝溢洪道底流消能计算成果分析.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER86第 40卷第 4期0 引言溢洪道是水利设施中常见的泄水建筑物，当水库达到设计库容时，可以通过溢洪道排泄多余水体，以保障库区坝体的安全，防止土坝出现漫顶险情1。溢洪道的泄水安全关乎水库运行，也与工程造价密切相关，在保障安全的前提下，合理设计溢洪道尺寸可以有效降低工程成本，提升工程的经济价值2。以佛山某水库的溢洪道为研究对象，分析其 2019 年和 2020 年 2 次底流消能的安全复核计算过程及结果，为工程后续除险加固的实施提供指导。1 水库概况所研究佛山某水库是 1 座中型水库，属西江水系，水库功能以灌溉为主，工程等级为 III 等，大坝设计洪水标准为 50 年一遇，校核洪水标准为1 000 年一遇。水库建设时间为 1973-1976 年，于1976年秋投入使用。由于水库建设处于文革时期，坝体主体由群众挑抬填筑，辅以木、石碾压夯实，缺乏设计资料，工程施工情况无记载，因此工程质量较低，难以达到设计标准，出现过因水位下降过快导致的坝体裂缝现象，后经多次除险加固工程3。目前，水库坝体存在纵向裂缝和不均匀土坝溢洪道底流消能计算成果分析陈嘉颖（广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510000）摘要：分析佛山市某水库2019年和2020年2次溢洪道底流消能计算过程及计算成果，采用溢洪道设计规范和水力计算手册2种方法，对同一工程的消能防冲进行复核，其计算结果存在的差异及原因。为降低中小型水库除险加固工程的经济成本，结合该水库溢洪道现状，提出计算消能工的跃前水头应采用考虑泄流沿程水头损失的能量方程分段求和法，该方法更贴合实际工况，在保证安全的前提下可以降低工程实施成本。关键词：底流消能；溢洪道；消能防冲；安全复核中图分类号：TV653；TV135.2+1文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)04-0086-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.04.021Analysis of Calculation Results of Bottom Flow Energy Dissipation in Earth Dam SpillwayCHEN Jiaying(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangzhou 510000,China)Abstract:This paper analyzes the calculation process and results of the bottom flow energy dissipation of a certain reservoir of Foshan in 2019 and 2020.It adopts two methods,namely spillway design specifications and hydraulic calculation manuals,to review the energy dissipation and erosion prevention of the same project,and to identify the differences and reasons in the calculation results.In order to reduce the economic cost of the reinforcement project for small and medium-sized reservoirs,combined with the current situation of the spillway of the reservoir,it is proposed that the calculation of the pre jump head of the energy dissipator should adopt the segmented sum method of the energy equation considering the head loss along the discharge path.This method is more suitable for actual working conditions and can reduce project implementation costs while ensuring safety.Keywords:underflow energy dissipation;spillway;energy dissipation and erosion prevention;safety check收稿日期：2023-07-07作者简介：陈嘉颖（1990-），男，广东潮州人，工程师，主要从事水工结构设计工作。*陈嘉颖 土坝溢洪道底流消能计算成果分析87沉降，坝后坡仍然存在牛皮胀等现象，水库安全隐患尚未彻底消除4。2 水库溢洪道2.1 工程地质条件根据场地内岩土的工程特征、成因和沉积层序，依照 2018 年安鉴报告并结合钻探结果，钻探深度内场地岩土层可分为 5 大层，根据钻孔数据，溢洪道泄槽段下分为填土层、残积土层和下伏基岩 3 类，其中，填土层主要为块石层，由花岗岩块石堆砌而成，出露地表，顶部 0.1 m 为混凝土铺面，局部铺面有隆起现象；钻孔揭露残积土层含多量石英颗粒（大于 2 mm），为花岗岩残积土，土芯黏韧性一般，遇水易软化、崩解；下伏基岩全风化层岩芯为坚硬土状，与残积土层类似，遇水易软化、崩解，强风化层岩芯呈半岩半土状、或坚硬土夹岩的碎块状，属泥夹石，土状者遇水易软化。2.2 工程特性溢洪道为宽顶堰开敞式溢洪道，其位于大坝右侧坝肩，由进口段、溢流堰段、陡槽段、消能池段等几部分组成，高程为 110.30 m，堰顶净宽15 m，非常溢洪道位于大坝左侧山坳处。溢流堰堰顶高程 110.30 m（宽 15 m，长 13.2 m），堰上最大水头 3.27 m（P=0.1%）。后接陡坡段（长102.8 m）和底流式消能池（长 16m，宽 15m），两边设侧墙，结构为浆砌石重力式挡土墙，外砌150 mm 厚 C20 混凝上，高度 1.85 3.85 m。2.3 工程现状溢洪道所在场区及附近未发现不良地质条件和各类地质灾害及构造作用，工程稳定性有保障。溢洪道混凝土铺面下部岩土层为硬塑砾质黏性土、全风化花岗岩和强风化花岗岩，其承载力高，能满足溢洪道构筑物承载力的要求。下部地层渗透性低，工程渗流量小，渗漏问题不大。由于溢洪道已运行多年，外观整体较老旧，溢洪道内混凝土铺面多处见有横向和纵向裂缝，部分铺面严重剥落，泄槽段局部隆起、悬空，可能是时代久远、老化及热涨冷缩因素造成，暂时未见挡土墙结构性破坏。3 溢洪道消能防冲计算该水库溢洪道消能防冲标准为 30 年一遇，洪峰流量为 181.05 m3/s，最高库水位为 111.85 m，最大下泄流量为 46.8 m3/s；设计洪水标准为 50 年一遇，设计洪峰流量为 259.57 m3/s，最高库水位为111.98 m，最大下泄流量为 52.7 m3/s。1 000 年一遇校核洪水位为 112.77 m，最大下泄流量为 92.06 m3/s。根据该水库大坝安全鉴定结构安全评价报告（2019 年）和水库除险加固工程可行性研究报告（2020 年）对该溢洪道消能防冲复核的计算结果进行分析，以对该水库溢洪道消能池的安全性进行评价讨论。3.1 安全鉴定成果复核3.1.1 跃前断面水深在安全鉴定复核时，采用水力计算手册（第二版）中一般泄流情况下，收缩水深 hc（m）的计算公式计算5，即：（1）式中：E0泄水建筑物的上游总水头，m；q收缩断面处的单宽流量，m/s；g重力加速度，m2/s；流速系数，损失越大，系数越小，依据计算手册，此处取为 0.906。?图 1 下挖式消能池水跃计算示意图3.1.2 跃后断面水深根据 SL 253-2018溢洪道设计规范，该水库的溢洪道消能池为等宽矩形断面消能池，其水跃形态可以用如图 1 中的计算示意图表示7。水跃前后，断面上的水深满足公式（2）：（2）式中：hc跃后断面水深，m；Frc收缩断面的弗劳德数，可以用公式（3）计算：（3）88云南水力发电2024 年第 4 期消能池尾部出口水面落差 Z（m）满足：（4）式中：Q泄流总流量，m3/s；b消能池宽度，m；水跃淹没度，这里取 1.05；消能池出口段的流速系数，这里取 0.958；ht下游水深，m。此外，水跃前后水位和效能池尾部出口水面落差还满足公式（5）：hc=ht S Z （5）式中：S消能池深度，m。3.1.3 消能池深度及长度计算依据公式（1）（5），试算下游水深 ht，计算中 i 取值为 0.000 5，计算结果见表 1。表 1 水库安全鉴定下游水深试算表洪水频率P/%水深ht/m过水面积A/m2湿周水力半径R/m谢才系数C/（m1/2/s）流量Q/（m3/s）3.332.8542.6820.682.0634.1946.8523.0846.2021.162.1834.5152.69洪水频率为 3.33%时（30 年一遇洪水），下泄最大流量时的下游水深约为 2.85 m；洪水频率为 2%时（50 年一遇洪水），下泄最大流量时的下游水深约为 3.08 m。在此基础上，消能池深度计算结果见表 2。表 2 水库安全鉴定消能计算结果表洪水频率P/%跃前水深hc/m跃后水深hc/m水面落差Z/m消能池深度S/m3.330.1613.4310.0260.7320.1823.6290.0260.70消能池长度计算采用设计规范中的式 A.6.3-3计算，公式（6）如下：Lk=0.8L （6）式中：L自由水跃的跃长，m，可利用 L=6.9（hc-hc）计算。最终计算得到 30 年一遇和 50 年一遇洪水条件下，消能池长度分别为 18.05 m 和 19.03 m。现状消能池池深 1 m，池长 16 m，根据消能防冲计算成果，消能池池深满足要求，但池长不满足规范要求。3.2 可研报告成果计算3.2.1 跃前断面水深根据 2019 年水库大坝安全鉴定结构安全评价报告建议，拟针对该水库溢洪道开展除险加固工程建设，故对工程可行性进行研究，需要对溢洪道消能池进行安全复核，设计翻修方案。泄槽水面线高程通过能量方程，利用分段求和法计算，采用的公式（7）如下：（7）式中：/1-2分段长度，m；h1和 h2首尾处的断面水深，m；v1和 v2首尾断面处的流速，m/s；1和 2流速不均匀系数，这里均取 1.059；泄槽底坡角度；i泄槽底坡，满足 i=tan；J平均摩阻坡降，采用公式（8）计算：（8）式中：R和v平均水力半径（m）和平均流速（m/s），计算公式为 v=（v1+v2）/2 和 R=（R1+R2）/2。该水库泄槽底板混凝土表面不够光滑，根据设计规范水力计算中常用的糙率 n 值表，本计算中选取0.015。溢洪道跃前断面水深根据公式（7）进行计算，考虑该溢洪道为宽顶堰开敞式溢洪道，依据设计规范，临界水深 hk（m）采用泄槽首端断面位置处的水深，其计算公式（9）如下：（9）式中：动能修正系数，此处取 1；q单宽流量，可根据泄流量 Q和断面宽度 b计算得到：q=Q/b。采用该方法计算得到的 30 年一遇情况下的泄槽段水面线结果见表 3，跃前断面水深取 0.24 m。表 3 水库可研报告 30 一遇条件下水面线计算结果表m桩号水深掺气水深底板高程水面线高程0+0001.001.03110.37111.360+0200.390.43107.42107.810+0400.320.36102.93103.250+0600.270.3197.3597.620+0800.240.2891.8592.090+1060.240.2784.4784.713.2.2 跃后断面水深该溢洪道断面为梯形，底宽 b=16 m，两侧坡度 1 1.5，纵向坡度 i=0.000 5，造率 n=0.022 5，采用明渠均公式计算下游水深，结果见表 4。陈嘉颖 土坝溢洪道底流消能计算成果分析89表 4 水库可研报告下游水深计算结果表水深h/m过水面积A/m湿周水力半径R/m流量Q/（m3/s）0.00.0016.000.0000.23.2616.720.191.0890.46.6417.440.383.4660.610.1418.160.566.8320.813.7618.880.7311.071.017.5019.610.8916.121.221.3620.331.0521.941.425.3421.051.2028.51.629.4421.771.3535.781.833.6622.491.5043.772.038.0023.211.6452.462.242.4623.931.7761.843.2.3 消能池深度及长度计算消能池深度及长度仍然依据公式（2）（6）进行计算，相关系数取值不变，计算结果见表 5。表 5 水库可研报告消能池计算成果表洪水频率P/%跃前水深hc/m跃后水深hc/m水面落差Z/m消能池深度S/m消能池长度Lk/m3.330.242.760.1160.9113.90根据可研报告中消能池计算结果，消能池深度和长度均满足规范要求。3.3 结果分析根据 2019 年安全鉴定结果，溢洪道原消能池池长不满足规范要求，需进行除险加固。但可研报告中对原溢洪道消能池尺寸复核计算结果表明，消能池池深和池长均可满足规范要求。经对比分析，可研报告和安全鉴定结果相差较大的主要原因在于，可研报告的跃前水深采用了能量方程分段求和法进行求解，考虑了沿程水头损失并较为准确地包含在计算中，而安全鉴定中跃前水深采用计算手册中的公式，虽然计算公式中流速系数的选取一定程度上考虑了水头损失，但其系数仍然偏保守，计算出的跃前水深较小，在相同流量条件下，流速更大，所需的消能池长度更长。考虑到水库溢洪道上游接宽顶堰，泄槽段长 102.8 m，因此，公式（7）计算的结果更为合理，所以采纳可研报告中的计算成果作为该水库泄洪消能方程能力的最终复核结果，无需对消力池进行加长处理。4 结束语佛山某水库安全鉴定评价报告的溢洪道消能防冲复核中，采用计算手册中的公式计算跃前水位，对水头沿程损失考虑不足，计算结果偏保守，得到消能池需要加长的结论。而除险加固可研报告中采用了能量方程分段求和法计算跃前水位，计算得到的结果充分考虑了该水库的实际情况，计算结果表明消能池现状满足规范要求，无需进行加长处理。在保证水利设施安全的前提下，采用能量方程分段求和法计算跃前水位更贴近实际，在保证安全的前提下，可有效降低工程成本。参考文献：1兰绍华，龙明星.水库工程中溢洪道设计的思考总结J.黑龙江水利科技，2012,40（7）:87-88.2周静雯.张公龙水库新增溢洪道安全复核J.黑龙江水利科技，2021,49（11）:87-90.3黄有文.西坑水库防渗设计方案比选J.广东水利水电，2022,（1）:77-80.4杨文滨，谭彩，袁明道，等.西坑水库大坝几种典型隐患问题原因分析综述J.广东水利水电，2023,（5）:30-34.5李炜.水力计算手册M.北京：中国水利水电出版社，2006.6迟颖.大河水库除险加固设计中的溢洪道设计J.水利建设与管理，2014,34（12）:24-26.7SL 253-2018 溢洪道设计规范S.8王铮.关于水库输水洞维修加固设计初步分析J.黑龙江水利科技，2015,43（4）:62-64.9 鞠福勇.分段求和法计算天然河道水面曲线 J.水利建设与管理，2017,37（5）:28-31.