第9卷第1期 2 0 1 1年2月 水利与建筑工程学报 dArchitectural Journal of Water Resources anVo1.9 No.1 Feb.,201 1 小型水库除险加固新增溢洪道设计优化技术 李高民 (宝鸡市冯家山水库管理局,陕西宝鸡721300) 摘要:冯家山灌区有6座小(一)型渠库结合水库,工程建成投运以来一直带病低水位运行或空库度 汛,工程作用未得到充分发挥。在该6座水库除险加固设计中美水沟水库存在库容小,但洪量大,新增 泄洪设施投资大的特点,本文通过对美水沟水库新增溢洪道工程设计中,怎样合理汁算确定洪水量和优 化结构设计,减少泄洪设施规模,降低工程投资提出几点意见,以利于水库除险加固工程设计更加科学 合理,供类似工程参考应用。 关键词:水库;除险;溢洪道;设计;优化 中图分类号:TV651.1 文献标识码:A 文章编号:1672--1144(2011)O1—0o83—o4 Optimal Design for New Added Spillway in Small Reservoir’S Remedial Project LI Gao.min (Fentjiashan Reservoir Managemem Bureau of a秒,Baoji,Shaanxi 721300,China) Abstract:There are six small-sized reservoirs in Fengjiashan Irrigation Area,which is conjunct with the canal on the top of its earthfill dam.Regretfully。these reservoirs are ineficifent since their constmctin,because they have been operating in a low water level and in a situation of empty volume during water looding duratfion.Here,taking Meishuigou Reservoir as a case,which has the characteristics of small volume,huge water flood discharging and costly investment to the added spillway,some valuable opinions and approaches are put forward including how to reinforce it,and in its remedying de— sign,how to determine the water flooding discharge,how to minimize the size of spillway,how to reduce the investment of the reiforncement project and SO on,so as to provide references for similar projects. Keywords:reservoir;remedy;spillway;design;optimizing 冯家山水库灌区北干渠跨越沟道较多,在渠道 穿越沟道处,共修建了孔头沟、中张庄、祁家沟、王家 矛盾,参与者设计了很多方案,最终比较理想地解决 了问题,现就小型水库新增溢洪道优化设计与同仁 共同探讨。 沟、刘家沟、美水沟6座渠库结合水库,北干渠从其 坝顶通过,它们均为Ⅳ等小(I)型工程,坝体为碾压 式均质土坝。由于原设计的防洪标准低,6座水库 都未设溢洪道,仅设放水洞或卧管式放水涵洞用于 1工程概况 美水沟水库位于扶风县法门镇寨子村与南阳镇 灌溉或弃水。由于该6座水库存在病险,又无溢洪 章村交界处,为冯家山灌区北干渠上的渠库结合工 程之一。水库大坝位于北干渠4l+835~41+905 处。大坝为均质土坝,坝址以上流域面积48.8 km 。该水库于1973年初开始修建,1975年6月建 成投入运行,是一座以调节冯家山灌区北干渠流量 道,多年来一直低水位运行或空库度汛,严重影响到 水库工程效益的正常发挥。随着国家对小型病险水 库加固的实施,我局6座水库被列入除险加固工程 范围。2008年本人参与了水库除险加固设计工作, 其中美水沟水库除险加固工程设计中问题很多且复 杂,即美水沟水库库容很小,通过水文计算,洪量很 大,需要规模较大的溢洪设施泄洪。怎样解决这个 收稿日期:2010.12 06 修稿日期:2011-01-01 为主,兼顾库水还渠、养殖、防洪及事故退水的综合 性小(工)型水库。另外,水库坝址上游建有涧沟桥、 野河北、野河南等3座小型水库,控制流域面积合计 作者简介:李高民(1967一),男(汉族),陕西渭南人,高级工程师,主要从事水利工程设计、施工管理及水利科技工作。 84 水利与建筑工程学报 第9卷 33.7 km2,野河北、野河南水库现已淤满失去调蓄洪 水的能力而报废,涧沟桥水库基本淤满,但还有一定 调蓄洪水的能力。 美水沟水库总库容199.5×10 rn3,有效库容 92.5×104 m3,滞洪库容92.5×lO4 m3,死库容 15×104 m3。美水沟水库原设计按50 a一遇洪水设 计,100 a一遇洪水校核。坝顶高程670.59 133,最高 洪水位668.6 rn,正常蓄水位660.5 m,死水位645.0 m0 2新增溢洪道工程设计优化 2.1水文计算的优化 美水沟水库原设计总库容为199.5 X 104 m3,依 据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252— 2000),确定该工程属于Ⅳ等小(1)型水利工程,其设 计标准为30 a~50 a一遇洪水设计,300 a~1000 a 一遇洪水校核。 因为该水库兴利库容小,主要根据工程失事后 对冯家山灌区北干渠输水和下游人民群众的生命和 财产安全的影响等情况,为了控制工程投资,洪水复 核的标准采用设计标准最低限值:30 a一遇洪水设 计,300 a一遇洪水校核l】 。 由于该流域内无水文站和雨量站,属于无资料 地区,故洪水计算采用两种方法,即根据暴雨资料推 求设计洪水(推理公式法)和经验公式法进行计算, 分析其合理性,选用合理的结果。 美水沟水库坝址以上建有涧沟桥、野河北、野河 南等3座小型水库,控制流域面积合计33.7 km2,因 大量泥沙淤积,三库库容基本丧失。 2.1.1上游三库调蓄洪水能力为零方案 将上游三库流域面积全部计入美水沟水库流域 面积中。洪水计算结果见表1。 表1洪峰流量计算成果汇总(单位:rn3/s) 经对比选择推理公式法计算的水库洪水结果。 2.I.2美水沟与涧沟桥两库联合运用调洪方案 根据涧沟桥水库工程原始资料及涧沟桥至美水 沟水库河道实际情况,美水沟水库入库洪水按涧沟 桥水库下泄流量滞后0.5 h和两库区间洪水叠加计 算,结果如下: P=3.3%时,Q =91.6 m3/s,W=232.9 X lo%3 (滞后0.5 h) P=0.33%时,Q =176 m3/s,W=397.5×104m3 (滞后0.5 h) 将各种方法计算结果及原设计的洪峰流量列表 如表2。 表2洪峰流量计算成果汇总(单位: /s) 经对比选择推理公式法计算的水库洪水结果。 从以上两方案可以比较出两库联合运用方案计 算美水沟水库洪量明显减少,这样在满足洪水排泄 的要求下可以减少溢洪道工程规模和投资。因此选 择了第二种方案。 2.2洪水调节计算起调水位的优化 根据确定的洪峰流量用列表试算法进行调洪演 算,确定溢洪道设计尺寸。按照多种不同水位作为 起调水位进行对比分析选择投资少和效益佳的起调 水位:①选择空库度汛方案(起调水位为空库650 1TI);②降低正常蓄水位(起调水位为655 m);③正常 蓄水位(起调水位为660.5 m);④抬高正常蓄水位 (起调水位为662 m),最后确定起调水位是水库的 正常蓄水位660.5 m为最优方案。根据工程现状, 按入库洪水过程线、水库水位库容曲线、泄洪洞水位 泄量关系曲线、新建溢洪洞的水位下泄流量关系曲 线进行调洪演算,计算其所需要的防洪库容,确定其 最高蓄水位。 洪水调节计算采用列表试算法进行调洪演算。 对水库泄洪洞泄流量调节计算采用闸孑L出流公式 Q=/ ̄oeb、/2gHo,其中,uo=0.6—0.18(e/H) 。 新建溢洪道采用WES实用堰,堰顶高程及堰宽的选 择经过了反复比较,最后选用堰顶高程664.5 m,堰 宽6.6 m,泄流量公式采用Q=mEab ̄/2 H 。其 调节结果如下:P=3.33%时,最大入库流量p : 90.52 rn3/s,最大下泄流量q =50.59 m3/s,其中泄 洪洞g =39.63 1TI3/s,溢洪道q =10.96 m3/s,溢 第1期 李高民:小型水库除险加固新增溢洪道设计优化技术 85 洪道堰上水深0.90 m,相应净库容14.07×104 m3, 采用直线与堰面曲线相切,因该坡度缓于1:1时,将 影响溢流堰的泄流能力,为了不影响溢流堰的泄流 相应库水位665.40 m。P=0.33%时,最大入库流 量Q =176.0 m3/s,最大下泄流量q =149.09 m3/s, 其中泄洪洞q =46.38 m3/s,溢洪道g =102.71 能力设计采用1:1坡度。在设计溢流堰各项尺寸时 尽量选择有利于流量系数高的尺寸,查SL253—2000 规范表A.2.1—1得流量系数m=0.501,经过优化 可以看出流量系数是比较大的l引。 2.4溢洪道设计优化 m3/s,溢洪洞堰上水深4.00 m,相应净库容151.30 mj,相应库水位668.50 m。 美水沟水库大坝坝顶高程670.59 m,30 a一遇 设计洪水位665.40 m。300 a一遇校核洪水位 方案一:溢洪道为完全开敞式,北干渠和防汛道 668.50 m。经坝顶高程复核,满足要求。 2.3溢流堰形式的优化及其流量系数的确定 不同的堰型,有不同的水流特性和不同的流量 系数。因设计溢流堰处地形较低,覆盖层易于挖除, 为了能获得较大的流量系数,经对溢洪道溢流堰反 复比较及试算,溢流堰选用流量系数较大的曲线型 实用堰堰型。实用堰前的引渠要求挖深一些,以保 证有一定的上游堰高,而宽顶堰正好相反,可取较小 的上游堰高。从直观上看,宽顶堰挖方量可省一些, 但由于现场地形适合实用堰布置,在同样条件下,宽 顶堰所需的溢流前缘长度比实用堰长,引渠和陡槽 也要相应拓宽。两方案相比,实用堰进口的工程量 比宽顶堰进口工程量小。曲线型实用堰溢流水舌与 堰面能很好的吻合,压力特性较好,在相同的过水宽 度和相同的堰上水头溢流时,与宽顶堰或折线型实 用堰相比,曲线型实用堰可通过较大的流量,因此选 择曲线型实用堰作为设计堰型。曲线型实用堰,在 工程实用上有通用的标准断面,这些标准的堰面轮 廓线都是经过长期的实验研究得到的,从中选择广 泛采用的WES型标准堰面曲线比较合理可靠。正 确确定堰面的定型水头 是关键。对于低堰,当 堰上水头较小时,流量系数随堰上水头加大而增加, 但当堰上水头增至某一数值后,流量系数不增反减, 因此 合理确定就非常重要。经查相关资料并结 合堰面允许负压值综合确定最佳Hd:0.75Hm=3.0 m,符合SL253—2000规范的Hd/H =0.65~0.85 要求。合理确定上下游堰高也很关键,当上游堰高 降低时,水流纵向收缩不够完善,使堰面压力增加, 动能减少,流量系数相应减少;当上游堰高增加时, 流量系数增加,但工程量也增加;下游堰高必须保持 一定高度,才不会因过堰水舌受堰后护坦的顶托而 使水舌曲率减少,从而使得流量系数减少,合理确定 上下游堰高也非常重要。按照地形,为了减少堰处 开挖工程量,设计采用低堰形式,上游堰高P 采用 2 m,下游堰高尸,采用3.25 ITI,符合SL253—2000规 范的Pl≥0.3Hd,P2≥0.6Ha的要求。堰下游坡i 路以渡槽和桥梁形式从溢洪道顶上通过,下游为明 渠溢洪道。 方案二:溢洪道穿越北干渠和防汛道路部分修 筑涵洞,后接段全修筑隧洞。 两方案技术上均可行,从运行管理和运行费用 看,方案二优于方案一;从经济角度考虑,采用方案 一总造价大于方案二,因此选用方案二。 溢洪洞由堰后收缩段、上游陡坡段、渐变段、下 游陡坡段、挑流段组成。总长度为218.421 m。溢洪 洞设计为城门洞形钢筋混凝土结构,堰后收缩段、挑 流段为矩形槽露天式钢筋混凝土结构。溢洪洞尽量 布置在土质坚硬层上,有利于隧洞开挖。纵坡都必 须大于临界坡度,使水流始终处于急流状态,为了减 少工程量,溢洪洞泄槽随地质变坡2次,上游纵坡 大,下游纵坡小,即龙抬头式,这样可以保证隧洞断 面尺寸上下基本一致,有利于设计和施工。因为过 一定流量水上游流速小,需要断面大,用增大纵坡降 缩小断面;下游相反,流速大,需要断面小,用降低纵 坡降增加断面。根据能量方程用分段求和法计算控 制断面水深及流速,依据水深合理确定隧洞断面尺 寸。 2.4.1堰后收缩段(0+008~0+023) 总长15.169 m,比降为0.149。底宽从6.6 m缩 窄为3.5 m,收缩角符合规范要求_4 J。堰后收缩段 起点水深通过能量公式试算得h l=1.583 m,流速 V l=9.78 m/s;收缩段终点水深通过能量公式试算 得h 2:2.715 m,流速 2=10.75 m/s。 2.4.2上游陡坡段(0+023—0+063) 总长为40.453 m。根据地形条件,确定陡坡的 有关参数为:比降i=0.149,底宽 =3.5 m。采用 分段求和法计算陡坡水面线,起始点为h :2.715 m,流速 2=10.75 m/s,终点水深h 2.04 m,流 速 =14.31 m/s,由此确定侧墙高由2.9 m变为 2.2 m,拱高1.5 m。 2.4.3下游陡坡段(0+063~0+210.682) 根据地形条件,确定陡坡的有关参数为:比降为 水利与建筑工程学报 第9卷 i=0.04,总长为147.799 m,底宽B=3.5 m。采用 分段求和法计算陡坡水面线,起始点为h :2.04 m,流速'3/ 3=14.31 m/s,隧洞转弯起始水深h 4= 致使鼻坎受力和水流转向不好,从而影响挑距。通 过多方案试算比较采用挑射角0=30。,反弧半径R =12.0 m,符合规范要求_5 J。通过计算挑流内线射 2.274 m,流速 4=12.83 m/s。由于转弯处内外水 位相差比较大,将原设计的转弯半径l0倍槽宽提高 到48.57倍降低槽宽两侧水位差,解决了两侧水位 相差过大问题。由于泄流流速比较大,侧墙高度确 定要考虑掺气的影响,按照公式h =v/lO0×h求 不同控制断面掺气后增加水深均为0.292 m,按照 程Ll=31.92 m,挑流外线射程Ll=38.1 m,冲刷坑 深度t:11.5 111。按照计算结果确定挑流段尺寸如 下:挑流鼻坎断面宽6=3.5 in,侧墙高4.2 m,挑流 段长15 m,挑坎顶与下游地面高差z=8.6 m,护坡 段水平距离14 m,消力池长14 m。 转弯外侧最高水位和掺气增加高度确定侧墙高度为 2.7 m。由此确定侧墙高从桩号0+089的2.2 m变 为桩号0+097的2.7 m,拱高1.5 m(0+089~0+ 097即渐变段)。 2.4.4挑流段 3工程投资比较 优化前溢洪道工程投资405.81×104元,优化 后溢洪道工程投资293.37×lo4元(含给上游涧沟 桥水库增建溢洪涵洞59.19×lo4元)。可见,设计 优化对于工程投资影响很大。 因溢洪洞要从放水洞上面交叉穿过,末端离河 床地面有一定高度且根据末端及河床地形,确定采 用连续式鼻坎挑流消能型式。挑流段由联结段、挑 4结语 水库除险加固工程溢洪道的设计和布置合理与 否,不仅直接影响到水库安全,而且关系到整个工程 造价。土石坝新建中小型溢洪道,约占水库除险加 固工程投资50%左右 ,故溢洪道工程设计是否科 学合理非常重要。通过设计优化可以解决小型水库 库容小,上游水库报废后洪量大,新建溢洪道规模投 流鼻坎、护坡段、块石铅丝笼护底池组成,总长43 ITlo 根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》 (SL252—2ooo)规定,消能防冲建筑物设计洪水标 准:4等建筑物洪水重现期为20 a,且出现超过消能 设计标准的洪水时,不危及主要建筑物安全。美水 资大与效益小的矛盾,对提高投资效益意义重大。 参考文献: [1] 中华人民共和国水利部.SL252—2000.水利水电工程等 级划分及洪水标准[S].北京:中国水利水电出版社, 2009. 沟水库溢洪道为4等建筑物,消力挑流鼻坎防洪标 准应为20 a,但考虑到安全,消力挑流鼻坎设计防洪 标准定为30 a,即为水库的设计洪水重现期。经调 洪验算得:30 a一遇洪水溢洪道下泄流量p:50.59 m3/s,堰上水头H=2.07 m,经重新计算各部分过流 [2]吴持恭.水力学[M].成都:高等教育出版社,1979. [3] 中华人民共和国水利部.SE253—2000.溢洪道设计规范 [S].哈尔滨:哈尔滨出版社,2003. [4]宋祖诏.渠首工程[M].北京:水利电力出版社,1989. 情况(堰、过渡收缩段、陡槽段),采用分段求和法计 算陡槽水面线,隧洞末端收缩水深h 1.29 nl,流速 =10.91 m/s。按照河床地形合理确定挑流位置, 按照挑流位置确定挑射角和反弧半径尺寸。挑射角 的选择不仅要考虑挑距,还要考虑下游冲刷及结构、 工程量等条件。反弧半径尺选择不能太小,否则, 反弧段底板上的水压会显著改变水流的流线分布, 尔 [5]林孟程,舒以安,程应昌.无闸控制溢洪道水力设计 [M].江西:水利出版社,1981. [6]杨洪泽.溢洪道优化设计方法析[J].黑龙江科技信息, 2009,(16):235. 坏 尔 钸 尔 珠出 钸 绵 乖 希 乖 信 息 本刊对基金项目、国家重点项目、攻关项目(请注明代号)、优秀博、硕士论文,优先发表,酌情减收版面 费,稿酬从优,欢迎投稿。 《水利与建筑工程学报》编辑部