学文网摘要:溢洪道是水电站泄洪建筑物的重要组成部分，其设计及施工质量的高低直接影响到水电站的质量安全。为此，笔者结合工程应用实例，通过介绍溢洪道的布设情况，重点围绕轴线选择、结构型式、水力计算和挡土墙结构计算等方面探讨了水电站溢洪道工程的设计工作，以供类似研究参考。
关键词:水电站；溢洪道工程；结构设计；挡土墙
中***分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
溢洪道作为水利工程常见的构筑物，是水电站泄水建筑物的重要部分。当水库里水位超过安全限度时，溢洪道能够在工程项目中发挥出排除水库存超蓄洪水的作用，确保水库在汛期泄洪期间处于安全状态。但目前我国一些水电站的溢洪道设计质量不尽人意，容易导致侧墙混凝土脱落、伸缩缝开裂和底板破碎等质量问题的出行，严重影响到水电站正常功能的发挥及质量安全，甚至会造成不可换回的损失。因此，水电站管理人员应重视溢洪道工程的设计环节的工作，提高整体设计质量，从而确保水电站的质量安全。
1 工程概况
某水电站工程由拦河坝、溢洪道、引水系统和发电厂组成。
拦河坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，坝轴线呈折线型，在桩号0+154处呈38°折角，坝长366m。
开敞式溢洪道布置在拦河坝左岸大坝桩号0+078处，轴线与坝轴线呈正交，由进口段、控制段、陡槽段和消能段组成，沿轴线总长84.33m，采用驼峰堰，溢洪道分2孔，每孔净宽8m，弧形钢闸门，挑流消能，基础座落于弱风化上限。
引水系统由进水口、引水隧洞、调压井和压力管道四部分组成，进水口布置在右坝头上游220m处。
2 溢洪道布设
水电站溢洪道采用开敞式，其优点是:结构简单、水流平顺、施工方便、工程量小。溢洪道的位置，应根据坝址的地形、地质条件进行技术经济比较来选定，并注意以下4个方面:
1)要尽量利用天然的有利地形条件，如分水鞍(或山坳)。这样，就可以节省开挖土石方量，减少工程投资，缩短工期。
2)在地质条件上要求溢洪道两岸山坡比较稳定，防止泄洪时发生滑塌等事故。溢洪道位置最好选择在岩石和红胶土上，以耐冲刷，降低工程造价。如果做在土基上，应选择坚实的地基；使溢洪道全部坐落在挖方的地基上，还必须用浆砌石或混凝土衬砌，防止泄洪时对土基的冲刷。
3)在平面布置时，溢洪道尽量做到直线布置，力求泄洪时水流顺畅。溢洪道出口离坝端应≥10m，出口应离下游坝脚20m以上。如果由于地形限制，可将进口引水渠采用圆弧形曲线布置，并在弯道凹案做好护砌工程，而其他部分应尽量做到直线布置。
4)溢洪道布置尽可能不和泄水洞放在同一侧，以免互相造成水流干扰和影响卧管安全。
3 溢洪道设计
3.1 溢洪道的轴线选择
避免大挖方形成高边坡，且与下游河道衔接顺畅，溢洪道轴线选在左岸桩号为0+078处。3.2 溢洪道布置及结构型式
本工程泄水建筑物为开敞式河岸溢洪道，有闸控制。溢洪道布置在左岸大坝桩号0+078处，由进口引水渠、闸室段、泄槽段及挑流鼻坎等组成，沿轴线总长84.33m。
进口引水渠长16m，渠底顶高程270.00m，渠底采用厚度0.5m的钢筋混凝土。导流墙为对称圆弧型，转弯半径8.00m，圆心角为90°，进口宽度34.00m。导流墙采用半重力式挡土墙，墙顶高程279.75m。
控制段长12.00m，堰体为驼峰堰，堰顶高程272.0m。泄流净宽为16.0m，边墩、中墩底宽均为2.0m。控制段设置检修门、弧形工作闸门各一道，墩顶高程279.75m，上部设4.0m宽交通桥。堰体底板平均厚度为3.5m，上下游均设齿墙。
泄槽段总长度40.0m，每10m设一伸缩缝，纵坡1:10，底高程由267.00m降至266.00m。边墙为衡重式钢筋混凝土挡土墙，卸荷台以上回填碎石风化料。槽底采用钢筋混凝土衬砌，厚度0.50m。
底板上下游均设置齿墙，底板下设锚筋与基础岩石锚固，锚筋间距1.5m，长度2.0m，直径20mm，Ⅱ级钢筋。在边墙、底板的纵横缝内设紫铜片止水。
溢洪道采用挑流消能形式，挑流段采用钢筋混凝土结构，总长16.0m，净宽16.0m，反弧半径28.0m，挑流鼻坎顶高程269.02m，挑角27°，挑坎末端设齿墙，齿墙底高程为257.02m。边墙为衡重式钢筋混凝土挡土墙，卸荷台以上回填碎石风化料。
溢洪道两侧山体按稳定边坡开挖，全风化花岗岩1:1.75，强风化花岗岩1:0.75，弱风化花岗岩1:0.5，微风化花岗岩1:0.3，新鲜岩石1:0.1。
考虑生态流量要求，在溢洪道基础(死水位以下)预埋φ50钢管，进口由蝶阀控制。
3.3 溢洪道水力计算
溢洪道按50a一遇洪水设计，1000a一遇洪水校核，设计洪水位278.00m，设计最大下泄流量352m3/s，相应下游尾水位259.09m。校核洪水位279.08m，最大下泄流量543m3/s，相应下游水位259.90m。
3.3.1 堰体设计
堰型采用驼峰堰，按b型驼峰堰计算堰面:
P1=2.0m，
R1=2.1m，
R2=8m，
L=12.00m(1)
式中:P1为上游堰高，m；R1为中圆弧半径，m；R2为上、下圆弧半径，m；L为堰面总长，m。
(2)
式中:Q为流量，m3/s；H0为堰上水头，m；m为流量系数；C为上游面坡度影响修正系数；(上游堰面铅直时，C=1.0)；ε为侧收缩系数；B为溢流堰净宽，B=16m；n为孔数，n=2；ξk、ξ0为系数，取ξk=0.7，ξ0=0.25；b为孔宽，b=16m。
3.3.2泄流能力计算
采用《溢洪道设计规范》中实用堰泄流能力计算公式:泄流计算成果见表1。
表1 泄流能力计算成果表
由表1见，设计情况下泄流量Q=449.5m3/s＞352m3/s，校核情况下泄流量Q=555.23m3/s＞543m3/s，泄流能力满足设计要求。
3.3.3泄槽水面线计算
起始断面水深计算公式为:h1=q
(3)
式中:q为起始计算断面单宽流量，m3/(s·m)；H0为起始计算断面渠底以上总水头，m；θ为泄槽底坡坡角；φ为起始计算断面流速系数，取0.95。
泄槽水面线应根据能量方程，用分段法计算，计
算公式为:
(4)
式中:l1－2为分段长度，m；h1、h2分别为分段始、末断面水深，m；v1、v2分段始、末断面平均流速，m/s；α1、α2为流速分布不均匀系数，取1.05；θ为泄槽底坡角度，°；i为泄槽底坡，°；分段内平均摩阻坡降；n为泄槽槽身糙率系数，查《溢洪道设计规范》附录表A·7，取n=0.013；为分段平均流速，=(v1+v2)/2(m/s)；分段平均水力半径，R=(R1+R2)/2(m)。
泄槽段水流掺气水深计算公式为:
(5)
式中:h、hb为泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m；v为不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；ζ为修正系数，取ζ=1.4s/m。
根据以上各式计算泄槽水面线见表2。
表2 泄槽水面线计算成果表
3.3.4 消能计算
水舌挑距按水舌外缘计算，其计算公式为:
(6)
式中:L为自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；θ为挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，θ=27°；h1为挑流鼻坎末端法向水深；h2为鼻坎坎顶至下游河床高程差；v1为鼻坎坎顶水面流速，m/s，可按鼻坎处平均流速v的1.1倍计。
冲刷坑最大水垫深度计算公式为:
(7)
式中:T为自下游水面至坑底最大水垫深度，m；q为鼻坎末端断面单宽流量，m3(s·m)；z为上、下游水位差m；k为综合冲刷系数，冲刷坑处岩石坚硬但完整性差，取k=1.0。
3.4 进口挡土墙结构计算
挡土墙基底应力和抗滑稳定计算公式可采用现行《挡土墙设计规范》推荐的公式进行计算。
3.4.1基底应力
基底应力计算公式为:
(8)
式中: ΣG为作用在底板上的全部竖向荷载，kN；A为基础底面积，m2；ΣM为作用在底板的全部竖向和水平荷载对基础底面形心轴的力矩，kN·m；W为挡土墙底面对于该底面形心轴的截面矩，m3。
3.4.2抗滑稳定
抗滑稳定计算公式为:
(9)
式中:Kc为挡土墙底面的抗滑稳定安全系数；f为底面与地基之间的摩擦系数，取0.60；ΣH为作用在挡土墙上的全部水平向荷载，kN。
3.4.3 抗倾稳定安全系数
抗倾稳定安全系数计算公式为:
(10)
式中: ΣMy为作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩；ΣM0为作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩。计算结果详见表3。
表3 挡土墙稳定计算成果表
根据规范规定:花岗岩地基地应力最大值与最小值之比:基本荷载组合＜2.0；特殊荷载组合＜2.5。抗滑允许安全系数:基本荷载组合1.25；特殊荷载组合为1.10。抗倾稳定允许安全系数为1.50。边墙座落在基岩上，基础承载力较大，各种工况稳定安全系数及基底应力均能满足设计要求。
4 结语
通过分析水电站溢洪道工程的设计工作，笔者提出了以下几点结论：①预留宽缝内设置了棱台体式键槽可以保证双向变位结构物的整体性；②灌浆、排水孔位处预埋管的设计是解决钻设过程中钻断钢筋的困难；③检修闸门锁定在门槽上支撑墩的设计可以方便检修闸门的日常运用，并减少工程的投资；④采用新型的非标弧门顶止水设计及自关节轴承设计，具有较好的效果，值得在类似工程中推广。
参考文献
[1] 彭永华.中小型水库溢洪道结构的设计探讨[J].城市建设理论研究.2012年第28期
[2] 郑蜀闽.洪口水电站溢洪道设计[J].水利科技.2012年第03期
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