水库除险加固工程溢洪道设计的实例分析
摘 要：对于存在安全隐患的水库必须采取相应的除险加固措施，以保证水库的安全稳定运行，保护下游人民财产不受洪水侵害。某水库溢洪道存在较多安全隐患，在确定了溢洪道工程总布置后，分别从泄流能力计算、陡槽水力计算、消能计算等方面进行病险水库溢洪道加固设计。
关键词：溢洪道；加固设计；实例分析
水库除了为人们提供日常生活、农业灌溉、工业生产用水之外，还在防御洪水灾害发挥着不可替代的作用。但由于水库设计、施工、运行管理中存在的问题，部分水库达不到国家规定的防洪标准，而且随着水库运行时间延长，水库设施和各种设备不断老化，有些水库工程存在较严重的质量问题，尤其是溢洪道，损坏严重。因此，有必要对病险水库进行除险加固设计，使水库发挥其作用，保护人民生命财产安全。
1 工程概况
某水库是一座以农业灌溉为主，兼顾防洪的小（2）型水库，大坝为均质土坝，最大坝高10m，坝轴线长87m，坝顶宽2-3m，坝顶高程为1000.00m。坝址以上集雨面积2.89km2，总库容32.8万m3，其中死库容3.8万m3， 兴利库容19.2万m3。设计标准按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。大坝右岸有正槽式简易溢洪道一座，堰顶高程为999.00m，堰宽5m。三面无衬砌，且断面极不规则，溢洪道尾部被洪水冲刷出直径1-8m大小不等的坑数个，泄洪能力极差。
2 溢洪道存在的问题
溢洪道进口处和控制段已经被损坏，两侧石挡墙砌石出现很大的裂缝和倾斜，消力池及海漫已被洪水冲毁，这样的质量通病已经影响水库正常泄洪，危及水库大坝安全。溢洪道应拆除重建，确证大坝的安全使用。
3 溢洪道工程设计
根据洪水复核及调洪演算的结果可知，水库现状坝顶高程为1000.0m，未设防浪墙。设计溢流堰顶高程为998.00m、从现堰顶下挖1.0m即可满足防洪安全要求。结合该水库工程的实际地形，水库溢洪道布置于大坝的右岸，为正槽式溢洪道，堰型为宽顶堰。堰宽5m，堰上水头为1.35m，堰长10m（2.5h≥L≤10h），最大下泄流量为11.71m3/s。溢洪道断面设计为矩形断面（m=0）。
3.1 溢洪道水力计算
3.1.1 临界水深hk计算
临界水深hk的计算公式为：
hk=（αq2/g）1/3
式中：α――行进流速系数（取为1.0）
q――单宽流量（2.34m3/s）
g――重力加速度（9.8m1/2/s）
经计算，hk=0.824m
3.1.2 临界底坡计算
根据公式ik=gXk/aCk2Bk计算，式中：
ik：相应于临界水深hk时的临界坡度
Xk：湿周（6.65m）
A：流速分布不均匀系数，取为1
Ck：相应于临界水深hk时的谢才系数（94.65m1/2/s）
Bk：相应于临界水深hk时的水面宽度（5m）
经计算得：ik=0.0015
3.1.3 堰段水面线
鉴于水库的地质地形条件，本次设计中拟定溢洪道为正槽式溢洪道，堰型为宽顶堰，根据调洪演算的结果，其堰宽为5m，堰上水头为1.35m，堰项高程为998.00m，堰长为10m。
3.1.4 泄槽段水面曲线计算
由于水流在堰段末端产生临界水深，以此水深为泄槽段水面曲线计算的控制水深向下游逐段试算，根据泄槽段底坡必须大于临界底坡ik=0.0015的要求，结合该水库工程的实际地形条件，拟定底坡i=0.117。水面曲线试算采用公式为：ΔL1-2=[（hgcosθ+αgvg2/2g）-（h1cosθ+α1v12/2g）]/i-J和J=（n2v2）R4/3。
3.2 消力池水力计算
3.2.1、尾水渠水深计算
令尾水渠水深为h，渠底宽B=5m，n=0.015，i=0.005，则按明渠均匀流公式：Q=ω・c・（R・i）1/2进行试算，即
Q=[b・h・（b・h）2/3・i1/2]/[n・（b+2h）2/3]
式中：
Q：溢洪道最大下泄流量11.71m3/s；
n：糙率，取0.015；
b：尾水渠底宽5m；
i：尾水渠比降（i=0.005）；
c：谢才系数；
ω：过水断面面积；
h：水深。
经试算，尾水渠水深h=0.728m。
3.2.2、消力池前收缩水深hc计算
消力池宽为5m，按《水工设计手册》第六分册中公式Eo′=hc+Q2/[2g・φ2・（hc・B）2]进行试算，
式中：
Eo′：堰顶水能；
hc：收缩水深；
Q：下泄流量；
φ：流速系数；
g：重力加速度；
B：消力池宽；
经试算：hc=1.08m。
3.2.3、跃后水深hc″计算
根据公式hc″=hc/2[（1+8q2/g・hc3）1/2-1]进行试算：
式中： hc″：跃后水深；
q：单宽流量为2.34m3/s；
g：重力加速度9.8m1/2/s；
hc：消力池前收缩水深1.08m；
经试算，hc″=3.94m。
又根据σ=（h+s+△Z）/ hc″，式中：
h：尾水渠水深0.728m；
s：消力池挖深2.5m；
△Z：水面出池降落高度2.23m；
hc″：跃后水深3.94m；
经计算得：
hc=1.08m hc″=3.94m
s=2.5m △Z=2.23m
则消力池底板高程=990.18m；
尾水渠底板高程=992.68m。
3.2.4、消力池长计算
根据公式L=L1+0.7Lj进行试算，得消力池长L=20m。
3.3 溢洪道布置
结合实际地形条件，溢洪道布置于大坝的右岸，为正槽式溢洪道，由溢流堰、泄槽段、消力池和尾水渠组成。
3.4 溢洪道构造
溢洪道边墙采用直墙式挡土墙，底板与边墙全部用30cm厚现浇C20砼衬砌；消力池段底板及边墙均采用30cm厚现浇C20钢筋砼衬砌；尾水渠段底板及边墙采用现浇C20砼衬砌，厚为30cm。洪道在溢流堰及水平段底板两侧设伸缩缝，其余每隔10m设伸缩缝，相应设防滑齿槽，缝用沥清砂浆回填；为了减小底板扬压力，在砼底板下设（30×30cm）排水盲沟1条，横向排水盲沟间距为10m。
4 结束语
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加固投资，还直接关系水库泄洪对下游沿河及库区的淹没影响，应多方案综合分析比较后确定最佳方案。