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溢洪道设计

5.3溢洪道加固设计

5.3.1溢洪道的现状及存在问题

某水库的溢洪道为侧槽式溢洪道，位于大坝的左侧，总长度280m，由溢流堰、侧槽、渐变段、泄槽、挑流消能工等部分组成。

溢流堰呈L型布置，为克—奥型非真空实用堰，堰顶高程282.5m，其中侧堰长70m，端堰长5m。

侧槽的起始底宽为5m，沿程线性扩大至25m，通过渐变段缩窄为17m后与泄槽衔接。

根据地形条件，泄槽采用变纵坡的陡渠，两级纵坡分别为i=1/30与1/10。

挑流鼻坎段长10m，宽17m，其反弧曲率半径为19.5m，挑射角25°。

各段均为梯形断面，侧墙的边坡系数m=0.25。

该溢洪道在开挖施工的过程中，由于深切方于1977年11月造成左岸山体大规模滑坡，为了就近处理土石方，临时修改了大坝的设计断面。

溢洪道于1987年首次溢洪，过水深0.16m。

1988年9月3日当溢洪水深达0.62m时，挑流水舌直接冲刷左侧下游的山体，再次引起滑坡，下滑的泥石流淤塞河床，导致大坝坝脚长期渍水，威胁水库的安全，且呈逐年加剧之势。

目前，溢洪道存在的主要安全隐患如下：

a）溢洪道的基础为元古界板溪群粉砂质、泥质板岩，岩石破碎，节理裂隙发育，堰体及基础长期漏水，且溢洪道的排水系统也已堵塞失效。

库水通过渗漏通道直接作用在底板下，使底板在泄洪时承受过高的扬压力，导致底板与基础之间产生接触冲刷，底板以下大面积被掏空，危及溢洪道的安全运行。

b）虽然对左岸滑坡体进行了加固，但由于资金不足，处理不够彻底。

目前，两个滑坡体均处于临滑的状态，左岸的滑坡体有蠕动的迹象，使溢洪道侧墙开裂，尤其是靠近滑坡体的左侧墙，纵横裂缝已达15条之多。

继续发展下去，如果两个滑坡的侧翼相连，有可能诱发更大规模的滑坡。

c）溢洪道鼻坎以下的消能措施不力，滑坡体基脚及护岸挡土墙遭挑流水舌的冲刷，使下游沟谷的水土流失现象加剧，且河床中堆积的岩渣未作任何处理，渍水危及大坝的安全。

5.3.2加固改造方案比选

5.3.2.1溢流堰的加固处理方案

为了截断库水的渗漏通道，减少溢洪道底板承受的扬压力，必须对溢流堰的堰体与基础进行处理，可供选择的方案有两个：

方案Ⅰ—翻修堰体结合基础帷幕灌浆；

方案Ⅱ—不翻修堰体，重新浇筑堰面砼，堰体与基础同时进行灌浆，堰后设置排水孔，并与溢洪道底板的排水系统相连。

翻修堰体的难度较大，堰面浇砼并结合灌浆与排水的处理方法比较接近客观情况，故采用方案Ⅱ。

5.3.2.2侧槽与泄槽的加固处理方案

溢洪道的侧槽、渐变段、泄槽与挑流段，其底板与侧墙的设计标准偏低，施工质量较差，配筋少，厚薄不均匀，底板最薄处仅为5～6cm。

在泄洪水流的作用下，表面遭冲蚀，底板被淘空，局部出现冲坑，伸缩缝多数损坏。

结合实际情况，拟定加固方案如下：

方案Ⅰ—原底板全部凿除，用M5.0浆砌块石回填淘空部位、重做底板排水系统后，浇筑C20底板砼与侧墙，增加配筋数量，并用锚筋加固底板，伸缩缝采用环氧树脂粘贴橡皮进行止水。

其中侧墙厚0.15m，底板厚0.30m。

侧墙砼用于防渗，主要是防止泄洪水流通过原侧墙的裂缝渗入内坡，影响滑坡体的安全。

方案Ⅱ—保留底板并将表面凿毛，用C20小石砼找平，铺设φ6钢筋网，用SD抗裂砂浆抹面后，再采用高强度丙乳砂浆涂刷护面，底板下进行回填灌浆，伸缩缝用环氧树脂粘贴橡皮进行止水。

对于侧墙的裂缝，用环氧砂浆修补涂抹。

方案Ⅱ的造价虽略低于方案Ⅰ，但方案Ⅱ本身存在缺点不容忽视，体现在：

a）无法对已经堵塞的底板排水系统进行翻修，溢洪道底板的运行条件改善不够彻底；b）无法摸清底板下被淘空的情况，回填灌浆的质量难以保证，且浆液的消耗数量不确定，预算超支的可能性较大；c）在回填灌浆的过程中，排水系统有可能遭到堵塞，使底板的运行条件更加恶化；d）虽经修补，但建筑物的整体性受到影响，使用寿命将取决于有机复合材料的老化时间。

经过比选，拟选用方案Ⅰ。

5.3.2.3滑坡体的处理方案

左岸与下游滑坡体有两个处理方案，即：

a）按常规措施进行处理，如削坡减载、开沟排水、挡土墙、抗滑桩，需要花较多的投资。

从现实情况来看，滑坡体已存在二十多年，当年均已采取必要的工程措施，目前滑坡体虽有蠕动的迹象，但尚无其他异常现象，缺乏大规模进行处理的依据。

b）加强观测，重新开沟排水，对下游的滑坡体进行必要的抗冲与防渗保护，基本可杜绝滑坡体重新滑动的可能性。

显然采用后一方案为佳。

5.3.2.4下游消能方案

由于资金不足或受其他因素的限制，原溢洪道下游的消能防护存在较大问题，主要反映在：

a）平面布置上，挑流鼻坎正对下游左岸的山脚，距离较近。

受挑射水流的直接冲刷，建库后第二年山体即发生大规模的滑坡。

以后修建了护岸挡土墙对滑坡区域进行保护，但未能根本解决问题，上述部位仍继续遭受泄洪水流的直接冲刷。

b）从挑流鼻坎至下游河床的高差达到35m以上，泄洪时由鼻坎转移的挑射水流能量，加上沟谷本身的落差，聚集了约60m左右的动能，在缺乏基本消能防护措施的前提下，直接冲刷沟谷的两岸，水土流失严重。

根据统计，溢洪道的下泄流量从未达到设计标准，但仅有的几次溢洪却造成了非常严重的后果，泥石流将滑坡体及沟谷流失的土石方搬移、堆积在下游河床中，连锁反应地引发诸多安全隐患。

为彻底解决下游的消能防冲问题，本次初设提出如下的治理方案：

方案Ⅰ—二道坝方案：

该方案对溢洪道只作加固处理而不进行延伸，重点是在护岸挡土墙的末端修建二道坝。

通过二道坝形成的水垫塘，对挑射水流进行消能，并将尾水的落差集中，由二道坝的溢流坝段二次挑往河床归槽。

二道坝的坝型为砌石重力坝，按四级建筑物设计。

最大坝高22.3m，坝顶高程258.3m，坝长70.5m，其中溢流坝段长23m。

泄洪时可将水垫塘的水位抬高至258m，基本满足消能防冲的要求，其布置与结构详见《某—初设—水工—06》图与《某—初设—水工—07》图。

该方案须对鼻坎段进行改造，使挑射角由25°降到20°，用于减小挑距、缩小滑坡体与护岸挡土墙受冲刷的范围。

另外，还要对下游局部受冲刷部位采用砼与钢筋砼进行护砌与防渗。

主要缺点是不能完全避免挑射水流对下游滑坡体及护岸挡墙的直接冲刷。

方案Ⅱ—溢洪道直线延伸方案：

将原挑流鼻坎段10m凿掉，从0+270桩号开始，直线延伸泄槽150m，再接80m长的弯道，尾部用扭鼻坎将下泄水流挑入河床。

延伸段泄槽宽17m，纵坡采用i=0.1，弯道轴线的曲率半径为100m。

方案的布置与结构详见《某—初设—水工—08》图与《某—初设—水工—09》图。

该方案的流态最好，但通过滑坡体的一段，须建82m长的砌石拱渡槽，处理难度较大，且工程量大，造价较高。

方案Ⅲ—溢洪道弯道延伸方案：

从0+225桩号开始，通过弯道将溢洪道延伸至0+350桩号，末端的挑流鼻坎将水流送入河床归槽，水力条件较好，其布置与结构详见《某—初设—水工—10》图与《某—初设—水工—11》图。

该方案需加固处理原溢洪道225m，废弃原溢洪道下半段55m，延伸溢洪道125m。

其中，延伸段包括进口过渡段15m、弯道75m、出口过渡段15m、出口泄槽10m及挑流鼻坎段10m。

由于受地形条件的限制，延伸段只能布置在半填半挖区域，泄槽采用矩形断面，净宽为16.7m，纵坡i=0.1，弯道轴线的曲率半径选择100m。

考虑到泄槽的左侧墙为悬臂板，故整个泄槽设计成钢筋砼结构，其中出口段20m为钢筋砼排架式渡槽。

根据以上对溢洪道各部位加固处理方案的比较，初步确定三个溢洪道整体加固方案，其技术经济指标如下表所示：

某水库溢洪道加固改造方案比较表

加固

部位

方案Ⅰ

方案Ⅱ

方案Ⅲ

溢流堰

堰体、基础灌浆，堰后设置排水孔

堰面浇砼，堰体、基础灌浆，堰后设置排水孔

侧槽与

泄槽

翻修底板、浇底板与侧墙砼、重做排水系统和止水、用锚筋加固底板

滑坡

处理

开排水沟、滑坡观测，并对下游滑坡体局部用钢筋砼与砼护砌

滑坡观测、对左岸与下游滑坡体分别开排水沟

下游消

能防冲

利用二道坝抬高尾水位至258m并改建鼻坎

直线延伸溢洪道至桩号0+350

弯道延伸溢洪道至桩号0+500

方案

要点

加固溢洪道270m，改建10m，新建砌石坝1座（高22.3m）

加固溢洪道270m，改建10m，延伸220m,其中弯道80m

加固溢洪道225m，改建15m，延伸110m,其中弯道80m

主要

工程量

土石方11674m3，浆砌石7327m3，砼3815m3，钢筋制安62.5t，灌浆1025m

土石方94920m3，浆砌石18376m3，砼10368m3，钢筋制安76.8t，灌浆1025m

土石方20826m3，浆砌石6801m3，砼3571m3，钢筋制安185.6t，灌浆848m

估算

投资

万元

方案

优点

①投资少,基本上可解决下游消能防冲问题；②可分两步实施，先局部加固滑坡体，解决防冲问题，再根据运行情况，确定是否须立即修建二道坝。

①水流流态最好，可解决下游消能防冲的问题。

②挑射水流远离坝址，不影响大坝的安全。

①投资少；②水流流态好，可解决下游消能防冲的问题，也不影响大坝安全。

方案

缺点

①二道坝上游的流态差；②无法避免挑射水流对下游滑坡体及护岸挡墙的局部冲刷；③采用钢筋砼板抗冲，措施不是很可靠。

①工程量大，造价高；②须建82m长的砌石拱渡槽，且渡槽位于下游滑坡体内，施工难度大；③深切方高达25m~30m以上，存在开挖高边坡稳定问题。

①延伸段位于半填半挖区，浆砌石回填的工程量大；②左侧墙为悬臂板，故延伸段须设计成钢筋砼结构，并有20m渡槽，施工难度大；③挑距远，冲坑范围较大。

经比较，推荐采用方案Ⅲ。

5.3.3溢洪道水力计算

5.3.3.1溢洪道控制段泄流能力的复核

溢流堰的堰型为上游面垂直的克—奥型曲线实用堰，堰面坐标如表：

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.378

0.108

0.012

0.00

0.018

0.075

0.18

0.3

0.437

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

0.594

0.767

0.962

1.18

1.425

1.69

1.983

2.39

2.62

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.96

3.3

3.7

4.18

4.52

4.955

5.4

5.875

根据《溢洪道设计规范（SL253—2000）》，溢流堰的泄流能力按下式复核：

式中：

Q—溢流堰的下泄流量（m3/s）；

B—溢流堰的总净宽（m）；

H0—计入行进流速水头的堰上水头；

m、ε—分别为溢流堰的流量系数和侧收缩系数；

σ—堰流淹没系数。

复核结果如下（参见调洪演算）：

洪水重现期

年

1000

100

相应频率P

0.1

3.33

洪峰流量

m3/s

662.2

478.8

422.7

384.9

最高洪水位

285.17

284.64

284.49

284.38

最大下泄流量

m3/s

488.4

337.9

299.4

279.4

5.3.3.2溢洪道侧槽与泄槽水面线的计算

本溢洪道采用弯道延伸方案进行加固与改造，侧槽及泄槽各段的水力要素如下表所示：

部位

侧槽

渐变段

泄槽

过渡段

弯道

过渡段

泄槽

起始桩号

0+000

0+070

0+105

0+185

0+225

0+240

0+315

0+330

终止桩号

0+070

0+105

0+185

0+225

0+240

0+315

0+330

0+340

长度

进口断面

型式

梯型

矩型

底高程

280.366

277.898

277.840

274.274

270.274

268.774

261.274

259.774

底宽b

4.85

24.7

16.7

边坡m

0.25

出口断面

型式

梯型

矩型

底高程

277.898

277.840

274.274

270.274

268.774

261.274

259.774

257.774

底宽b

24.85

16.7

边坡m

0.25

纵坡i

0.00167

0.0446

0.10

糙率n

0.014

备注

直段

扭曲段

R=100m圆弧

扭曲段

直段

溢洪道的总长为350m（含挑流鼻坎段10m），其中前225m为加固改造段，断面为梯型，尺寸已考虑侧墙衬砌砼的厚度；后125m为新建的延伸段，均采用同一的底宽与纵坡。

为使加固改造段满足《溢洪道设计规范（SL253—2000）》对水力条件的要求，并尽可能减少工程数量，对原设计参数作如下的调整：

a）侧槽首端的底板高程采用280.366m，以满足侧槽堰上水深小于堰上水头一半的要求，避免泄洪水流被淹没而影响到设计流量。

b）原溢洪道采用的纵坡分别为：

侧槽0.0612、渐变段0.033、泄槽0.033及0.10，上述纵坡均大于各种流量下相应段的临界坡降，故侧槽内各断面难以形成缓流流态，连接侧槽与泄槽的渐变段也不能对流态起有效的调节作用，结果使侧槽末端的水深不具备确定性。

由于这一情况的存在，当采用规范A·3·1条第1款求得渐变段末端水深h1并向上游反演水面线时，无法求出侧槽各断面的水深。

为此，在维持0+070与0+185两断面底板高程不变的前提下，调整中间两段的纵坡，令渐变段的i=0.00167。

在各种流量下，由渐变段末端算出的临界坡降均大于上述i值，使渐变段始终保持为缓坡，其末端的水深为临界水深。

以渐变段末端的临界水深为起始水深，分别向上、下游计算水面线的坐标。

其中，侧槽的水面线按规范由海因兹公式进行计算：

泄槽则按非棱柱体明渠均匀流的逐段试算法求解：

式中：

Δx、Δl1—2—各分段的长度；

Δy—分段的水面高差；

q—侧堰的单宽流量；

Q1、Q2—分别为侧槽各分段的进、出口的流量；

v1、v2—分段始、末断面的水流平均流速；

h1、h2—分段始、末断面的水深；

α1、α2—分段始、末断面的流速分布不均匀系数，取1.05；

θ—泄槽底坡角度；

i—泄槽的纵坡，i=tanθ；

n—侧槽、泄槽的糙率系数；

—分别为段内平均摩阻坡降、平均流速与

断面的平均水力半径。

水流的掺气水深等于

式中，h、hb—分别为泄槽计算断面的静水深与掺气水深（m）；

v—不掺气情况下泄槽计算断面的流速（m/s）；

ζ—修正系数，近似取ζ=1.2

而梯形断面的临界水深直接按定义公式

迭代求解。

在校核洪水与设计洪水下，溢洪道的水面线计算结果如附表所示，从表中可看出：

a）侧槽槽首断面的堰上水深ys与堰上水头H0之比符合ys≤0.5H0的关系，故在校核、设计洪水下，侧槽为自由出流；

b）侧槽与渐变段各断面的水深都大于临界水深，均属于缓流。

溢洪道水面线计算成果表

部位

断面桩号

P=0.1%校核洪水

P=1%设计洪水

导墙最小高度

槽底高程

最低导墙高程

静水深

流速

掺气水深

静水深

流速

掺气水深

m/s

側槽L=70m

0+000

3.47

0.00

3.47

2.69

0.00

2.69

3.97

280.366

284.335

0+005

3.65

1.33

3.71

2.84

1.21

2.88

4.21

280.190

284.397

0+010

3.96

2.03

4.06

3.10

1.84

3.17

4.56

280.013

284.570

0+015

4.25

2.41

4.37

3.33

2.18

3.42

4.87

279.837

284.711

0+020

4.50

2.65

4.64

3.54

2.38

3.64

5.14

279.661

284.805

0+025

4.72

2.81

4.87

3.71

2.52

3.82

5.37

279.485

284.859

0+030

4.90

2.92

5.07

3.86

2.61

3.98

5.57

279.308

284.880

0+035

5.06

2.99

5.24

3.98

2.68

4.11

5.74

279.132

284.876

0+040

5.21

3.05

5.40

4.10

2.72

4.23

5.90

278.956

284.852

0+045

5.33

3.09

5.53

4.20

2.76

4.34

6.03

278.779

284.811

0+050

5.45

3.12

5.65

4.29

2.78

4.43

6.15

278.603

284.757

0+055

5.55

3.15

5.76

4.37

2.80

4.52

6.26

278.427

284.691

0+060

5.65

3.17

5.86

4.45

2.82

4.60

6.36

278.251

284.615

0+065

5.74

3.18

5.96

4.52

2.83

4.67

6.46

278.074

284.531

0+070

5.82

3.19

6.04

4.58

2.84

4.74

6.54

277.898

284.441

渐变段L=35m

0+075

5.77

3.39

6.00

4.54

3.01

4.71

6.50

277.890

284.390

0+080

5.70

3.59

5.94

4.49

3.20

4.66

6.44

277.881

284.326

0+085

5.61

3.84

5.87

4.42

3.41

4.60

6.37

277.873

284.245

0+090

5.50

4.13

5.77

4.34

3.67

4.53

6.27

277.865

284.138

0+095

5.34

4.50

5.63

4.21

4.00

4.41

6.13

277.857

283.989

0+100

5.10

5.01

5.41

4.02

4.46

4.23

5.91

277.848

283.755

0+105

4.34

6.33

4.67

3.41

5.65

3.64

5.17

277.840

283.006

泄槽L=80m

0+125

3.12

8.97

3.45

2.36

8.29

2.59

3.95

276.949

280.900

0+145

2.78

10.11

3.12

2.08

9.43

2.32

3.62

276.057

279.672

0+165

2.56

10.98

2.90

1.91

10.29

2.15

3.40

275.166

278.568

0+185

2.41

11.71

2.75

1.79

10.99

2.03

3.25

274.274

277.523

陡槽L=40m

0+205

2.13

13.29

2.47

1.57

12.56

1.81

2.97

272.274

275.246

0+225

1.95

14.56

2.29

1.44

13.80

1.67

2.79

270.274

273.067

过渡段L=15m

0+240

1.91

15.34

2.26

1.37

14.79

1.61

2.76

268.774

271.532

弯道L=75m

0+260

1.79

16.30

2.15

1.29

15.64

1.54

2.65

266.774

269.419

0+280

1.71

17.13

2.06

1.24

16.36

1.48

2.56

264.774

267.332

0+300

1.64

17.86

1.99

1.19

16.97

1.44

2.49

262.774

265.263

0+315

1.59

18.35

1.95

1.17

17.37

1.41

2.45

261.274

263.719

过渡段L=15m

0+330

1.56

18.79

1.91

1.14

17.72

1.38

2.41

259.774

262.181

陡槽L=10m

0+340

1.51

19.32

1.86

1.12

18.14

1.36

2.36

257.774

260.138

5.3.3.3溢洪道延伸段弯道的水力计算

根据实际的地形条件，溢洪道的延伸段按弯道进行布置，其轴线的曲率半径选择R=100m，弯道的总长度为75m，进出口分别设置15m的过渡段，弯道始末断面相应的中心夹角为θ=42°58′19″。

弯道的泄槽采用矩型断面，不考虑侧向的收缩，但为了与老溢洪道的梯型断面平顺衔接，槽宽采用b=16.7m，内外墙的高差采用3m，底板相应的横向倾角α=10°11′03″。

由于转弯半径在（6~10）b的范围以内，故本弯道满足《溢洪道设计规范（SL253—2000）》对水力条件的要求。

弯道段内外侧的横向水位差分别按小扰动冲击波理论及向心力经验公式进行验算，取其较大值。

a）当按小扰动冲击波理论计算时，设波角为β1，最大横向水面差所在断面的转角为θ0，则

式中，Fr1—扰动线上游来流弗劳德数；

h1—扰动线上游来流断面水深，m；

v1—扰动线上游来流断面流速，m/s；

b—弯道槽宽，m；

r0—弯道中心线的曲率半径，m。

边墙水深按下式迭代求解

式中，θ—弯道圆心角，（°）；

Fr—相应转角θ处，内、外侧水流的弗劳德数；

θ1—积分常数，根据θ=0，h=h1，Fr=Fr1，代入上式求得。

求得积分常数θ1后，将θ1与θ相加（当转角向内）或相减（当转角向外）

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