【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、海漫长度计算、防冲槽深度计算、稳定验算方面进行病险水库溢洪道加固设计。
【关键词】 溢洪道；问题；加固设计；工程布置；水力计算
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，兼顾防洪和养殖等小（Ⅰ）型水库，该水库控制流域面积22.54km2，设计标准按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。水库溢洪道位于大坝右端，为开敞式溢洪道，堰宽15.0m，堰顶高程277.00m，最大泄量21.30m3/s。
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
3.1 溢洪道布置方案比较
根据工程现状，选定三个枢纽布置方案进行比较。见表1。
方案一：溢洪道布置在大坝桩号0+486处（宽顶堰在原位置），开敞式岸边溢洪道；
方案二：溢洪道布置在大坝桩号0+486处（宽顶堰在坝轴线上），开敞式岸边溢洪道；
方案三：溢洪道布置在大坝桩号0+450处。经比较，方案三经济合理，投资最少，故选方案三。（如表1）
3.2 工程布置及结构形式
开敞式溢洪道布置在大坝桩号0+450处，由进口U型槽、控制段、陡槽、消力池、海漫等组成。
进口钢筋混凝土U型槽总长17.2m，其中第一段长8.5m，底宽为17.8m，底高程275.55m，底板厚0.50m；第二段长8.7m，底板用1：6反坡与堰顶连接，底宽17.8m～15.8m，底板厚0.50m。控制段钢筋混凝土U型槽长4.5m，底净宽为15m，堰顶高程277.00m，底板厚1.0m。堰顶上部设交通桥。陡槽U型槽长8.6m，底坡1：6，底宽15.8m，底高程为277.00～274.85m，底板厚0.70m。陡槽后接消力池。消力池钢筋混凝土U型槽长8.8m，底宽15.8m，池深0.50m。底板高程274.85m，底板厚0.80m，消力池底板上布置排水孔，以减小压力，增强底板稳定性。海漫采用干砌石梯形断面，总长16.90m，底宽15.80m，边坡1：1.5。护坡护底采用30cm厚干砌石，下设20cm厚砾石垫层和10cm厚粗砂垫层，底高程为275.35～275.32m。
3.3 水力计算
3.3.1 泄流能力计算
式中：Q—泄流量（m3/s）；
H0—包括行进流速在内的堰上总水头；
ε—侧收缩系数；
g—重力加速度，g＝9.81m/s2；
m—流量系数。
式中：n—孔口数目；
b—孔口净宽；
k—两侧边墩形状，取k=0.7；
ε=0.98。
经计算：Qmax设计＝8.93m3/s>7.91m3/s
Qmax校核＝27.3m3/s>21.3m3/s，均满足泄量要求。
3.3.2 陡槽水力计算
（1）临界水深hk及临界坡降ik。
（2）陡槽流速及掺气水深。
掺气高度hB=vh/100，h为不考虑掺气时的水深，水面线计算详见表2。
3.3.3 消能计算
⑴判别出口水面衔接形式。先按陡槽与下游尾水渠直接连接的情况计算，下游尾水渠底宽b=15.8m，m=1.5，n=0.033，i=1/500。
经计算：下游渠道首端水深ht=0.63m。
⑵判断是否需要修建消力池。
式中：hc—收缩水深（m）；
—水流动能校正系数，取1.05；
T0—由消力池底板顶面算起的总势能（m）；
q—过闸单宽流量（m3/s/m）。
试算求得hc=0.18m。
式中：hc″—跃后水深（m）；
b1—消力池首端宽度（m）；
b2—消力池末端宽度（m）。
计算求得hc″=1.55m，hc″>ht=0.63m，将发生远趋势水跃，需修建消力池。
（3）池深计算。
式中：d—消力池深度（m）；
σ0—水跃淹没系数；
△Z—出池落差（m）；
hs—出池河床水深；
经试算：d=0.5m，σ0＝1.07。
（4）消力池水平段池长计算。
L水平=βLj
Lj=6.9（hc″－hc）
式中：Lsj—消力池长度（m）；
L水平—消力池水平段长度（m）；
β—水跃长度校正系数，取0.8；
Lj—水跃长度（m）。
经计算：L水平=7.50m，d=0.5m，假定的消力池池深是合适的。 3.3.4 海漫长度计算
式中：L—海漫长度（m）
K—海漫长度校正系数；
△H—上下游水头差；
q—海漫出口处单宽流量。
计算得L=9.56m，取L=10m。
3.3.5 防冲槽深度计算
根据《水闸设计规范》（SL265-2001），海漫末端沟槽冲刷深度可按下式计算：
式中：dm—海漫末端沟槽冲刷深度（m）；
qm—海漫末端单宽流量（m3/s/m）；
hm—海漫末端水深（m）；
[v0]—沟槽土质允许不冲流速，取0.85（m/s）。
经计算dm=1.75m，采用防冲槽深度为dm=1.5m，采用底宽1.5m，上游坡为1：2，下游坡为1：2。
3.3.6稳定验算
（1）土基上沿堰基底面的抗滑稳定安全系数计算公式如下：
式中：Kc—沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；
f—闸室基底面与地基之间的摩擦系数，取0.40；
ΣH—作用在闸室上的水平力之和（KN）；
ΣG—作用于闸室上的全部垂直荷载。
（2） 基底应力计算公式：
式中：Pmax、Pmin—最大、最小应力，KPa；
ΣG—作用于闸室上的全部垂直荷载；
ΣM—作用于闸室基底面的全部荷载对基底面垂直水流流向形成的力矩；
A—闸室基底面面积，m2；
W—闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。
堰体稳定计算按设计水位情况，计算成果见表3。
由地质报告可知，闸基础为低液限粘土，地基承载力为160kpa 左右。根据水闸设计规范（SL265-2001）规定：特殊组合基底允许应力比为2.5，本次计算的抗滑稳定系数为3，应力比为1.33，抗滑稳定系数及基底应力均满足要求。
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。
参考文献
[1] 许春波；程玉珍.九里水库溢洪道除险加固工程设计[J].黑龙江水利科技，2011年06期.
[2] 李杨.东沟水库除险加固工程溢洪道设计[J].中国科技信息，2012年08期.
【关键词】 溢洪道；问题；加固设计；工程布置；水力计算
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，兼顾防洪和养殖等小（Ⅰ）型水库，该水库控制流域面积22.54km2，设计标准按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。水库溢洪道位于大坝右端，为开敞式溢洪道，堰宽15.0m，堰顶高程277.00m，最大泄量21.30m3/s。
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
3.1 溢洪道布置方案比较
根据工程现状，选定三个枢纽布置方案进行比较。见表1。
方案一：溢洪道布置在大坝桩号0+486处（宽顶堰在原位置），开敞式岸边溢洪道；
方案二：溢洪道布置在大坝桩号0+486处（宽顶堰在坝轴线上），开敞式岸边溢洪道；
方案三：溢洪道布置在大坝桩号0+450处。经比较，方案三经济合理，投资最少，故选方案三。（如表1）
3.2 工程布置及结构形式
开敞式溢洪道布置在大坝桩号0+450处，由进口U型槽、控制段、陡槽、消力池、海漫等组成。
进口钢筋混凝土U型槽总长17.2m，其中第一段长8.5m，底宽为17.8m，底高程275.55m，底板厚0.50m；第二段长8.7m，底板用1：6反坡与堰顶连接，底宽17.8m～15.8m，底板厚0.50m。控制段钢筋混凝土U型槽长4.5m，底净宽为15m，堰顶高程277.00m，底板厚1.0m。堰顶上部设交通桥。陡槽U型槽长8.6m，底坡1：6，底宽15.8m，底高程为277.00～274.85m，底板厚0.70m。陡槽后接消力池。消力池钢筋混凝土U型槽长8.8m，底宽15.8m，池深0.50m。底板高程274.85m，底板厚0.80m，消力池底板上布置排水孔，以减小压力，增强底板稳定性。海漫采用干砌石梯形断面，总长16.90m，底宽15.80m，边坡1：1.5。护坡护底采用30cm厚干砌石，下设20cm厚砾石垫层和10cm厚粗砂垫层，底高程为275.35～275.32m。
3.3 水力计算
3.3.1 泄流能力计算
式中：Q—泄流量（m3/s）；
H0—包括行进流速在内的堰上总水头；
ε—侧收缩系数；
g—重力加速度，g＝9.81m/s2；
m—流量系数。
式中：n—孔口数目；
b—孔口净宽；
k—两侧边墩形状，取k=0.7；
ε=0.98。
经计算：Qmax设计＝8.93m3/s>7.91m3/s
Qmax校核＝27.3m3/s>21.3m3/s，均满足泄量要求。
3.3.2 陡槽水力计算
（1）临界水深hk及临界坡降ik。
（2）陡槽流速及掺气水深。
掺气高度hB=vh/100，h为不考虑掺气时的水深，水面线计算详见表2。
3.3.3 消能计算
⑴判别出口水面衔接形式。先按陡槽与下游尾水渠直接连接的情况计算，下游尾水渠底宽b=15.8m，m=1.5，n=0.033，i=1/500。
经计算：下游渠道首端水深ht=0.63m。
⑵判断是否需要修建消力池。
式中：hc—收缩水深（m）；
—水流动能校正系数，取1.05；
T0—由消力池底板顶面算起的总势能（m）；
q—过闸单宽流量（m3/s/m）。
试算求得hc=0.18m。
式中：hc″—跃后水深（m）；
b1—消力池首端宽度（m）；
b2—消力池末端宽度（m）。
计算求得hc″=1.55m，hc″>ht=0.63m，将发生远趋势水跃，需修建消力池。
（3）池深计算。
式中：d—消力池深度（m）；
σ0—水跃淹没系数；
△Z—出池落差（m）；
hs—出池河床水深；
经试算：d=0.5m，σ0＝1.07。
（4）消力池水平段池长计算。
L水平=βLj
Lj=6.9（hc″－hc）
式中：Lsj—消力池长度（m）；
L水平—消力池水平段长度（m）；
β—水跃长度校正系数，取0.8；
Lj—水跃长度（m）。
经计算：L水平=7.50m，d=0.5m，假定的消力池池深是合适的。 3.3.4 海漫长度计算
式中：L—海漫长度（m）
K—海漫长度校正系数；
△H—上下游水头差；
q—海漫出口处单宽流量。
计算得L=9.56m，取L=10m。
3.3.5 防冲槽深度计算
根据《水闸设计规范》（SL265-2001），海漫末端沟槽冲刷深度可按下式计算：
式中：dm—海漫末端沟槽冲刷深度（m）；
qm—海漫末端单宽流量（m3/s/m）；
hm—海漫末端水深（m）；
[v0]—沟槽土质允许不冲流速，取0.85（m/s）。
经计算dm=1.75m，采用防冲槽深度为dm=1.5m，采用底宽1.5m，上游坡为1：2，下游坡为1：2。
3.3.6稳定验算
（1）土基上沿堰基底面的抗滑稳定安全系数计算公式如下：
式中：Kc—沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；
f—闸室基底面与地基之间的摩擦系数，取0.40；
ΣH—作用在闸室上的水平力之和（KN）；
ΣG—作用于闸室上的全部垂直荷载。
（2） 基底应力计算公式：
式中：Pmax、Pmin—最大、最小应力，KPa；
ΣG—作用于闸室上的全部垂直荷载；
ΣM—作用于闸室基底面的全部荷载对基底面垂直水流流向形成的力矩；
A—闸室基底面面积，m2；
W—闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。
堰体稳定计算按设计水位情况，计算成果见表3。
由地质报告可知，闸基础为低液限粘土，地基承载力为160kpa 左右。根据水闸设计规范（SL265-2001）规定：特殊组合基底允许应力比为2.5，本次计算的抗滑稳定系数为3，应力比为1.33，抗滑稳定系数及基底应力均满足要求。
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。
参考文献
[1] 许春波；程玉珍.九里水库溢洪道除险加固工程设计[J].黑龙江水利科技，2011年06期.
[2] 李杨.东沟水库除险加固工程溢洪道设计[J].中国科技信息，2012年08期.
