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摘要：溢洪道是水库工程的主要建筑物，可以保证水库的安全运行，减少高水位行洪对大坝稳定产生安全隐患。本文列举了水库设计工作中存在的问题，并对病险水库溢洪道加固设计进行了分析。
关键词：水库；溢洪道；除险加固
引言
水库在防御洪水灾害和保障国民经济建设上发挥了不可替代的作用。但由于使用年限的增加及本身施工质量不到位等原因，势必带来蓄洪、调泄能力不足的问题，严重时会发生坝坡失稳、溃坝等重大安全事故，直接关系到水库大坝下游人民、财产安全。因此，对水库进行除险加固设计势在必行，而水库相关主要建筑物的优化设计更是意义重大，能够有效保证水库正常运行，下游区域人民安居乐业。
1.工程概况
某水库是一座以灌溉为主，兼有防洪功能的小（2）型水库，正常蓄水位1707.17m，相应死水位为1698.65 m，总库容为67.00万m3，相应库容59.70万m3，坝址以上流域面积3.85km2，主河道长度3.63km，河道平均比降64.4‰。水库建成于1973年，原防洪标准按10年一遇洪水设计、100年一遇洪水校核，水库保护下游3000人的生命财产安全。
2.水库现状及存在主要问题
2.1 水库现状情况
该水库主要建筑物由挡水大坝和放空管两部分组成。经前期调查，水库现状情况如下：
（1）大坝。大坝结构形式为均质土坝，坝顶高程1711.90m，最大坝高24.0m，坝顶宽6.8m，坝顶长110.1m。实测上游坝坡坡比为 1：3.3，下游坝坡在高程1699.55m处设有马道，下游坝坡以马道为界，上段坡比为1：2.4，下段坡比为1：2.5。下游坝坡坡脚处设干砌块石贴坡排水体。上、下游坝坡均采用草皮护坡。库区平均淤泥面高程 1704.30m，相应淤积库容35.1万m3，现有效库容仅为 31.9万m3。
（2）放空管。水库放水建筑物为坝体右坝肩放空管，兼有输水和泄洪双重作用。输水洞洞身为直径1.0m的钢筋砼圆管，洞口底高出原始河床18.0m，洞长73.0m。原设计最大泄流量 4.15m3/s，采用卧管进水，共12台，每台两孔，孔直径0.3m。虽然输水洞洞身结构较好，但经过多年运行，进水卧管老化严重，且洞身已全部淤死，放空管无法正常工作。
2.2 水库存在的主要问题
该水库运行已40多年，库区淤积严重，建筑物老化，加之水库新建时期施工质量不达标，现状水库存在的主要问题为：
（1）水库库区淤积严重，防洪库容下降，原设计标准低，防洪能力不足；
（2）放空管淤积严重且结构损坏，无有效的泄洪建筑物。
3.溢洪道设计方案
本水库属于小（2）型V等工程，主要建筑物为5级，次要建筑物为5级，本次设计防洪标准采用20年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核。
经过大坝渗流稳定复核，现状坝体、坝基渗流稳定均满足规范要求；经过大坝抗滑稳定及抗震能力复核，大坝上、下游坝坡在正常运用情况及非常运用情况下，抗滑稳定安全系数均大于规范允许值，由此可知，现状水库大坝上、下游坝坡满足稳定要求；经过大坝防洪能力复核，可知其防洪能力不能满足现行规范要求。
本次设计本着不加高坝顶、加大泄洪能力的原则，提出维持原坝高不变，新建开敞式溢洪道以增大水库泄洪能力的设计方案。溢洪道进口底板高程为正常蓄水位高程1707.17m，溢洪道堰顶宽取2.0m。
4.调洪验算
4.1 泄流量计算
根据拟定的设计方案，溢洪道泄流计算采用无坎宽顶堰计算，公式如下，计算出不同水位溢洪道的泄流量，并绘制出溢洪道泄流曲线如图1所示。
图1 溢洪道泄流量曲线图
4.2 调洪演算
调洪采用半图解法，因为现状放空管无泄洪功能且老化淤堵，考虑拆除，故在本次调洪演算中只考虑溢洪道泄流，从正常蓄水位1707.17m开始起调。调洪演算计算表详见表1、表2。
调洪演算结果为：在溢洪道堰顶宽度为2.0m，底板高程为1707.17m的情况下，校核洪水位为1710.22m，水库总库容为72.8万m3，其中淤积库容 35.1万m3，死库容13.95万m3（按预留15年淤沙计算得出），兴利库容 4.01万m3（按设计灌溉面积190亩计算得出），则调洪库容19.74万m3。
通过计算，设计情况下坝顶超高为1.90m，相应坝顶高程为1710.51m；校核情况下坝顶超高为1.24m，相应坝顶高程为 1711.46m。计算坝顶高程低于现状坝顶高程1711.90m，且新建溢洪道断面较小，工程投资不大，故拟定的溢洪道设计方案是可行的。
5.溢洪道设计
5.1 总体布置
溢洪道由进水段、控制段、陡槽段、消力池及出水段五部分组成，根据实际地形及地质条件，溢洪道布置在大坝右肩，溢洪道建筑物中心线与大坝中心线垂直，控制段基础位于均质土层。根据调洪演算结果，溢洪道采用开敞式无坎宽顶堰控制下泄流量。
溢洪道顺水流总长210.0m，其中进水段41.4m、控制段8.0m、陡槽段125.1m、消力池9.0m、出水段26.5m，各段之间根据地势高低通过渐变挡墙连接。最大泄量17.35m3/s，堰顶高程选为正常蓄水位1707.17m，泄槽桩号0+049.4～0+120.7段设计纵坡为1/20，桩号0+122.1～0+174.5 段设计纵坡为1/3。
5.2 水力计算
5.2.1 水面曲线计算
溢洪道陡槽段的水面曲线计算，根据能量方程，用分段求和法计算[1]。根据总体布置，控制段直接与陡槽段相接，经计算，陡槽段底板设计比降大于临界坡比，起始计算断面取陡槽段起点，起始计算水深取校核洪水位时陡槽段起点断面的临界水深，作为陡槽段水面曲线计算的控制水深，由此分段进行试算。计算公式如下：
5.2.2 消能计算
溢洪道消能型式采用底流消能，消力池洪水标准按20年一遇洪水设计。消力池宽度为1.8m，基础位于砂砾层，为矩形断面[2]。第一共轭水深h1根据能量方程，用分段求和法计算，经计算h1为0.53m。通过计算，消力池长度LK为 8.73m，深度d为0.52m。取池长为9.0m，池深为0.6m。
5.3 结构设计
（1）进水段。桩号0+000～0+041.4长41.4m为进水渠，设计底坡为平坡，底板高程1707.17m，断面形式为矩形断面，底宽3.0m，净高3.6m，底板厚0.4m，底板上下两端头设齿墙，底板以下铺设厚度0.4m的三七灰土垫层；侧墙采用重力式挡土墙结构，墙高0～4.4m，顶宽0.5m，底宽1.94m，侧墙底部铺设厚度0.3m的三七灰土垫层。侧墙和底板均采用C15砼现浇，如图2所示。
（2）控制段。桩号0+041.4～0+049.4长8.0m为宽顶堰，堰顶高程1707.17m，为开敞式无坎宽顶堰，堰宽2.0m，净高3.6m，底板厚0.4m，底板上下两端头设齿墙，底板以下铺设厚度0.4m的三七灰土垫层；侧墙采用重力式挡土墙结构，墙高4.4m，顶宽0.5m，底宽1.94m，侧墙底部铺设厚度0.3m的三七灰土垫层。侧墙和底板均采用C15砼现浇。
（3）陡槽段。桩号0+049.4～0+174.5段长123.9m为泄槽，桩号 0+049.4～0+120.7段设计纵坡为1/20，桩号0+122.1～0+174.5段设计纵坡为1/3，变坡处采用圆弧连接，断面形式为矩形断面，底宽 1.8m，净高2.0m，底板厚0.4m，底板上下两端头设齿墙，底板以下铺设厚度0.4m的三七灰土垫层；侧墙采用重力式挡土墙结构，墙高2.8m，顶宽0.5m，底宽1.3m，侧墙底部铺设厚度0.3m的三七灰土垫层。侧墙和底板均采用C20钢筋砼现浇。
（4）消力池。桩号 0+174.5～0+183.5长9.0m为消力池段，底板高程为1686.87m，断面形式为矩形断面，底宽2.0m，净高2.0m（其中池深0.6m），底板厚0.5m，底板上下两端头设齿墙，底板以下铺设厚度0.4m的三七灰土垫层；侧墙采用重力式挡土墙结构，墙高2.9m，顶宽0.5m，底宽1.3m，侧墙底部铺设厚度0.3m的三七灰土垫层。侧墙和底 板均采用C20钢筋砼现浇。
（5）出水段。桩号0+183.5～0+210.0长26.5m为出水段，设计纵坡1/100，底板起始高程为1687.47m，断面形式为梯形断面，底宽1.8m，净高1.2m，底板厚0.4m，底板上下两端头设齿墙，底板以下铺设厚度0.3m的三七灰土垫层；渠堤迎水面坡比为1：1.5，渠堤面板厚0.4m。渠堤和底板均采用C15砼现浇。另外，在泄槽段，侧墙、底板每10m设一道横向伸缩缝；在其他段，结构变化处侧墙、底板设一道横向伸缩缝；底板与侧墙接口处设一道纵向伸缩缝。伸缩缝均为20mm厚沥青杉板填塞，缝内设一道651型橡胶止水带。
图 2 溢洪道结构设计图
6.结束语
综上所述，在病险水库加固设计中，溢洪道工程是整个枢纽工程的关键和重点，它与大坝加固方案相互影响，相互制约，不仅影响工程的加固效果与总体投资，还直接关系水库泄洪对下游区域及库区的淹没影响。本文通过新建溢洪道，排除了水库安全隐患，实现了水库功能的正常发挥。
参考文献
[1]刘春福.水库除险加固工程新增溢洪道设计的实例分析[J].中国水运（下半月）.2017（10）
[2]张松斌.关于中小型水库溢洪道设计中常见问题的研究[J]. 陕西水利.2017（S1）
论文作者:周洁
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/28
标签：溢洪道论文; 底板论文; 水库论文; 高程论文; 断面论文; 库容论文; 大坝论文; 《建筑学研究前沿》2017年第33期论文;