某水库除险加固新增溢洪道设计的优化方法.docx

某水库除险加固新增溢洪道设计的优化方法

任勇奇
摘 要：某灌区工程建成之后一直带病运作，水库一直处于空库度汛或降低水位运行状态，使得工程效益未能充分发挥，而该工程具有水库洪量大、库容小及新增泄洪设施所需投资多等特点。本文针对该水库新增溢洪道工程设计，对其结构优化设计等方面进行叙述，以期让类似工程得到参考。
关键词：除险加固 洪水计算 溢洪道设计 溢流堰优化
计溢洪道，仅设计了卧管式放水涵洞用于弃水及灌溉。水库一直处于空库度汛或降低水位运行状态，严重影响了水库建设工程效益的发挥，因此，该水库除险加固新增溢洪道设计及其优化具有极为重要的意义。
1.工程简介
该水库始建于1983年，1986年正式开始运行，大坝为均质大坝，坝址上游流域面积达50.2km2，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养殖等功能的综合性小型水库。该水库上游建有三座小型水库，控制河道36.5km2，由于年久失修，其中两座小型水库已淤满并丧失了原有功能，另外一座小型水库也已经基本淤满。而对于该水库来说，其有效库容98.5×104m3，死库容15×104m3，该水库原设计根据50年一遇洪水进行的设计，最高洪水位669.5m，死水位435.0m，正常蓄水位650.5m。
2.水文计算
该水库在修建之初设计有效库容为98.5×104m3，根据水利行业标准（SL252-2000），该工程属于V等小型水利工程。该水库库容小，有必要根据工程失事之后对整个灌区人民财产安全的影响，来进行工程投资控制。并且由于该地区没有雨量站与水文站，因此工程洪水计算只能通过推理公式法与经验公式法进行计算，并综合分析其合理性，最终确定最佳方案。该水库上游有三座小型水库，但是其中两座小型水库库容完全丧失，一座基本丧失，就具体洪水调蓄方案来看，共有两种。第一种方案为将上游水库流域面积全部算入该水库流域面积，具体洪水计算结果如表1所示，而经过对比分析确定采用推理公式法计算洪水结果。
第二种方案则是按照上游三水库原始资料及该水库实际情况，水库实际入库洪水根据上游最后一水库下泄半小时及两库之间洪水叠加进行计算，实际结果统计如表2所示。
3.溢流堰型式优化
水库除险加固新增溢洪道设计过程中，不同的流量及水流特征将采用不同的堰型。该工程中覆盖层容易挖除，并且溢流堰地形较低，因此为了能够得到较大流量系数，经过反复验算，决定采用流量系数较大的曲线型堰型。具体设计过程中，考虑到实用堰与宽顶堰两种方案，实用堰首先引渠必须要尽可能挖深，以确保上游堰高，而宽顶堰则正好相反。由于工程现场地形情况限制，采用曲线型实用堰可以正好满足水头要求，并且经过测算，其压力也正好符合。在同等的堰上水头溢流及过水宽度上，曲线型实用堰可更好通过较大流量，所以该工程采用曲线型流水堰以作为工程设计溢流堰。
而在具体使用过程中，科学确定堰面定型水头是重要内容。对其中低堰，如果水头不大时，流量系数必然与水头系数成反比。所以工程经过相关资料调查分析综合确定最佳定型水头为0.75，并且该值符合相关规范0.65-0.85要求。最后，科学确定下游堰高也是溢流堰设计关键，当上游的堰高下降时，必然会使得工程量增加，而且流量系数也会相应增加。因此下游堰高一定要保持合理高度，以尽可能减少流量系数。而根据该工程实际地形，为了减少工程开挖量，决定使用低堰结构，并且上游堰高设计为2m，下游设计为3.25m，该设计符合相关规定要求。另外由于堰下游坡与堰面曲线相切，如果坡度小于1∶1时，必然会直接影响整个溢流堰泄洪，因此为了切实保证整个溢流堰泄洪能力，必须要采用合适的流量系数。而经过查证，最终确定该工程流量系数为0.501。
4.新增溢洪道设计优化
对于该工程新增溢洪道设计来说，经过研讨认为主要有两种方案：其一为溢洪道完全采用敞开式，即防汛道与北干渠以桥梁或渡槽等形式设计在溢洪道顶部，并且在下游设计明渠溢洪道，如图1所示；第二种方案则是溢洪道直接穿越防汛道路与北干渠的部分采用涵洞，并且后接段全部以隧洞为主。而就两种新增溢洪道技术方面来说均可行，从经济角度、运行费用、运行管理等方面来看，方案二均优于方案一。就整个溢洪洞来说，其主要包括上游收缩段、上下游陡坡段及挑流段等组成，整个溢洪洞长216.21m。溢洪洞采用钢筋混凝土结构（城门洞形），收缩段、挑流段均为钢筋混凝土结构（露天式矩形槽）。溢洪洞尽可能设计在坚硬土质上，以利于隧洞开挖，整个纵坡要超过临界坡度，使得水流能够顺利下泄。而且为了尽可能减少工程量，工程变坡两次，即设计为龙抬头式，最终保证隧洞断面尺寸无大的变化。最后利用能量方程计算断面流速及水深，并根据水深确定隧洞断面具体尺寸。
4. 1溢洪道堰后收缩段优化设计
对于溢洪道堰后收缩段来说，其底宽为6.6m，长15.2m，比降为0.149，缩窄为3.5m，实际收缩角符合标准。并且通过能量公式计算，收缩段起点水深为1.58m，流速为9.7m/s，终端水深则为2.7m，流速为10.7m/s。
4.2溢洪道上下游陡坡段优化设计
根据实际地形条件，确定工程溢洪道上下游陡坡相关参数如表3所示。
经过计算，上游陡坡段侧墙高由原来的2.9m调整为2.2m，拱高则为1.5m，而下游陡坡段由于有转弯，因此将原先设计的转弯半径的10倍槽宽改为现在的48.7倍槽宽，以解决溢洪洞内两侧水位落差过大问题。并且因为泄流流速较高，因此必须要考虑侧墙掺气问题，根据相关公式，确定掺气之后的水深最高可增加0.29m，因此根据增加高度，确定下游陡坡段转弯处侧墙高为2.7m，拱高则为1.5m。
4.3溢洪道挑流段优化设计
由于溢洪洞必须要从防水洞上部穿过，并且其末端与河床地面之间存在一定高差，因此结合具体地形，决定使用连续式鼻坎挑流以实现消能，并且整个挑流段由挑流鼻坎段、块石铅丝笼护底池、连接段等部分组成。另外对于该水库溢洪道来说，为4等建筑物，防洪标准为20年，但处于安全考虑，其实际设计防洪标准为30年。对于各陡槽段、过渡收缩段等，均采用了分段求合法计算其水面线。而对于挑射角来说，不仅要考虑工程量及结构等因素，而且还应该充分考虑挑距等因素。最终通过多种方案对比分析，反弧半径为12m，挑射角为30°符合工程设计要求。
5.结语
水库除险加固新增溢洪道的布置及设计合理与否，不但决定着整个工程规模及造价，而且直接关乎水库下游人民生命及财产安全。而本文所述水库除险加固新增溢洪道优化设计之后，有效地解决了溢洪道规模投资大与效益小之间的矛盾，对于整个工程效益提高具有重要意义。
参考文献：
[1]SL252-2000.水利水电工程等级划分及洪水标准[S].中国水利水电出版社，2000.
[2]刘艳芳，徐冬梅，刘玉新.小型水库除险加固问题探讨[J].水利科技与经济，2014， （06）：23-24.endprint

-全文完-