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云南省玉溪市元江县水利水电勘测设计院 云南省玉溪市元江县 653300
摘要：溢洪道的设计和布置合理与否，不仅直接影响到水库的安全，而且关系到整个工程造价。一般中小型溢洪道，约占水库枢纽工程造价的25～30%及劳动力的25%，故溢洪道合理的布局、选型和数据计算，在水库工程设计中是一个比较重要的环节。
关键词：溢洪道；设计
1.工程概况
陆家店水库位于云南省玉溪市元江县咪哩乡甘岔村委会陆家店村，水库所在河流为红河流域元江右岸一级支流清水河。水库坝型为粘土心墙坝，坝高55.3m，总库容147.8万m?。工程规模为小（一）型。
2工程布置及建筑物
2.1溢洪道设计
根据地形和地质资料把溢洪道布置于右岸。采用可研推荐的轴线。溢洪道基础置于弱风化泥岩、粉砂质泥岩之上，工程地质条件相对较好。对可研推荐方案进行比较优化。
挑流段所处的岸坡陡峭，限制了挑流段的布置空间。研究比较鼻坎在不同里程采用不同挑射角的情况，鼻坎里程为0+241.500、挑射角20 °时水流能最好的挑入河床中心。
2.1.1溢洪道布置
溢洪道为岸坡开敞式。溢洪道布置于大坝右岸。全长242m，宽度为4～2.5～1.5m，高度为2.02～2.32～1.4～2.003～1.4m，进口底板高程为1969.98m，出口底板高程为1902.561m。堰顶高程为1969.98m。溢洪道由进水渠段）、控制段、泄槽段、挑流消能段组成。溢洪道的断面型式均为矩形断面，采用钢筋混凝土结构。
2.1.2水力学计算
溢洪道为开敞式自由溢流，设计下泄流量为4.07m?/s（P=3.33%）；校核下泄流量为7.01m?/s（P=0.33%），消能防冲设计流量3.62m?/s（P=5%）。
1.溢洪道进口水力计算
溢洪道为敞开式，进口底板高程为1969.98m。过流能力按无坎宽顶堰堰流公式进行计算，计算公式为：
式中：σs——为淹没系数；
ε1——为侧收缩系数；
m——为流量系数；
堰的宽度经过计算比较确定为2.5m。
经计算进口尺寸满足要求。
2.溢洪道泄槽段的水面线推算
泄槽段底坡均为陡坡，采用分段求和法计算泄槽段水面线。按下式计算：
△Ll-2=[h2cosθ+（α2v22/2g）]-[h1cosθ+（α1v12/2g）]/（i-J）
J=n2v2/R4/3
式中：△Ll-2——分段长度，m；
h1、h2——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——流速分布不均匀系数；
θ——泄槽底坡角度，o；
i——泄槽底坡；
J—— 分段内平均摩阻坡降；
n——泄槽槽身糙率系数；
v——分段平均流速，m/s；
R——分段平均水力半径，m。
其中掺气水深按下式计算：
式中：hb——掺气后水深，m；
h——计算水深，m；
v——不掺气情况下计算断面流速，m/s；
ζ——修正系数。
经计算当Q=7.01m?/s时，起始断面（宽2.5m）临界水深hk=0.944m，根据hk推算出泄槽段水深及边墙高度，计算结果见下表。
水平里程（km+m） 计算水深（m） 流速（m/s） 掺气后水深
（m） 计算边墙高
（m）
0+020.000 0.944 2.970 0.972 1.47
0+040.000 0.405 11.539 0.452 0.95
0+65.277 0.370 12.631 0.417 0.92
0+076.328 0.336 13.909 0.383 0.88
0+080.122 0.360 12.981 0.407 0.91
0+103.542 0.500 9.347 0.547 1.05
0+131.274 0.650 7.190 0.697 1.20
0+172.045 0.812 5.755 0.859 1.36
0+185.00 0.322 14.513 0.369 0.87
0+189.700 0.300 15.578 0.347 0.85
0+198.292 0.280 16.690 0.327 0.83
0+231.406 0.264 17.671 0.311 0.81
3.消能防冲计算
采用挑流消能。底流消能的洪水标准为20年一遇，对应的下泄流量Q=3.62m?/s。
挑距计算公式为：
L=1/g（v12sinθcosθ+ v1cosθ（v12sin2θ+2g（h1cosθ+ h2）1/2）
式中：L——挑流鼻坎末端至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；
θ——挑流水舌水面出射角，近似取鼻坎挑角，（°）；
h1 ——挑流鼻坎末端法向水深，m；
h1 ——鼻坎顶至下游河床的高程差；
v1——鼻坎坎顶水面流速，m/s。
经过计算L=8.08m。
最大水垫深度计算公式為：
T=kq1/2Z1/4 式中：T——自下游水面至坑底最大水垫深度，m；
q——鼻坎末端断面单宽流量，m3/（s.m）；
Z——上、下游水位差，m；
K——综合系数。
经过计算T=2.75m。
2.1.3稳定计算
1.控制段抗滑稳定及基底应力计算
控制段基底面的抗滑稳定安全系数计算公式如下：
式中：K——按抗剪断确定计算的抗滑稳定安全系数；
∑W——全部荷载对计算滑动面的法向分量，kN；
∑P——全部荷载对计算滑动面的切向分量，kN；
f?——抗剪断摩擦系数；
C?——抗剪断黏聚力，Kpa。
控制段基底应力计算公式如下：
式中——堰体基底应力的最大值或最小值（kPa）；
∑G——作用在堰体上的全部竖向荷载，kN；
∑M——作用在堰体上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；
W——堰体基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m4。
计算成果见下表。
序号 荷载组合 计算情况 基底应力（kPa） 抗滑稳定
Pmax Pmin 地基允许
承载力 φ C（Kpa） 计算值 规范
允许值
1 基本
组合 完建情况 30.4 30.4 150 20 18 — —
2 设计洪水位 34.61 34.03 150 20 18 183.07 3
3 特殊
组合 校核洪水位 52.52 19.72 150 20 18 129.43 2.5
4 地震情况 71.51 0.72 150 20 18 24.72 2.3
通过以上计算成果可得控制段设计满足规范要求。
2.泄槽段稳定复核
溢洪道泄槽段整体抗滑稳定采用抗剪强度公式进行计算。分别对底坡不同的泄槽进行稳定复核，按校核洪水时最不利的情况进行计算。
计算公式如下：
式中：Kc——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；
——底板混凝土与基岩之间的摩擦系数；
——作用于接触面上的全部荷载对计算滑动面的法向分力；
——作用于接触面上的全部荷载对计算滑动面的切向分力；
τ——水的流动拖力；
γ——水的容重；
A——泄槽底板面积；
R——水力半径；
b——为水面宽度；
h——为计算断面水深；
J——水能坡降；
——流速系数；
H——为上下游水位差；
L——计算泄槽段长度。
经过计算泄槽第1、2、3段当下泄校核洪水流量时：Kc分别为3.27、17.51、3.21，该条件下满足抗滑稳定要求。
2.1.4结构计算
采用有限元法。计算成果见下表
里程 计算工况 位置 轴向力（KN） 剪力（KN） 弯矩（KN.m）
0+014 完建 侧墙杆底端 20.20 -45.98 37.77
完建 底板杆端 45.98 20.20 47.53
完建 底板杆中 45.98 0 3.60
0+215 完建 侧墙杆底端 14.00 -36.25 16.52
完建 底板杆端 36.25 14.00 20.95
完建 底板杆中 36.25 0 1.00
溢洪道计算配筋为Φ14@200的双层二级钢筋。
3结束语
复核采用可研推荐的轴线，比较选定了挑流鼻坎的里程和挑射角；比较陡槽的抗滑稳定的主要措施采用锚筋抗滑，减少底板厚度0.1m、边墙厚度0.1m、齿墙深度0.8m，降低施工难度，减少造价27.46万元。溢洪道陡槽段比较陡时通过加厚边墙对陡槽的抗滑稳定帮助不大，其厚度只要满足横向结构计算要求即可，而在合适的地质条件下采用錨筋抗滑的措施最经济。
摘要：溢洪道的设计和布置合理与否，不仅直接影响到水库的安全，而且关系到整个工程造价。一般中小型溢洪道，约占水库枢纽工程造价的25～30%及劳动力的25%，故溢洪道合理的布局、选型和数据计算，在水库工程设计中是一个比较重要的环节。
关键词：溢洪道；设计
1.工程概况
陆家店水库位于云南省玉溪市元江县咪哩乡甘岔村委会陆家店村，水库所在河流为红河流域元江右岸一级支流清水河。水库坝型为粘土心墙坝，坝高55.3m，总库容147.8万m?。工程规模为小（一）型。
2工程布置及建筑物
2.1溢洪道设计
根据地形和地质资料把溢洪道布置于右岸。采用可研推荐的轴线。溢洪道基础置于弱风化泥岩、粉砂质泥岩之上，工程地质条件相对较好。对可研推荐方案进行比较优化。
挑流段所处的岸坡陡峭，限制了挑流段的布置空间。研究比较鼻坎在不同里程采用不同挑射角的情况，鼻坎里程为0+241.500、挑射角20 °时水流能最好的挑入河床中心。
2.1.1溢洪道布置
溢洪道为岸坡开敞式。溢洪道布置于大坝右岸。全长242m，宽度为4～2.5～1.5m，高度为2.02～2.32～1.4～2.003～1.4m，进口底板高程为1969.98m，出口底板高程为1902.561m。堰顶高程为1969.98m。溢洪道由进水渠段）、控制段、泄槽段、挑流消能段组成。溢洪道的断面型式均为矩形断面，采用钢筋混凝土结构。
2.1.2水力学计算
溢洪道为开敞式自由溢流，设计下泄流量为4.07m?/s（P=3.33%）；校核下泄流量为7.01m?/s（P=0.33%），消能防冲设计流量3.62m?/s（P=5%）。
1.溢洪道进口水力计算
溢洪道为敞开式，进口底板高程为1969.98m。过流能力按无坎宽顶堰堰流公式进行计算，计算公式为：
式中：σs——为淹没系数；
ε1——为侧收缩系数；
m——为流量系数；
堰的宽度经过计算比较确定为2.5m。
经计算进口尺寸满足要求。
2.溢洪道泄槽段的水面线推算
泄槽段底坡均为陡坡，采用分段求和法计算泄槽段水面线。按下式计算：
△Ll-2=[h2cosθ+（α2v22/2g）]-[h1cosθ+（α1v12/2g）]/（i-J）
J=n2v2/R4/3
式中：△Ll-2——分段长度，m；
h1、h2——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——流速分布不均匀系数；
θ——泄槽底坡角度，o；
i——泄槽底坡；
J—— 分段内平均摩阻坡降；
n——泄槽槽身糙率系数；
v——分段平均流速，m/s；
R——分段平均水力半径，m。
其中掺气水深按下式计算：
式中：hb——掺气后水深，m；
h——计算水深，m；
v——不掺气情况下计算断面流速，m/s；
ζ——修正系数。
经计算当Q=7.01m?/s时，起始断面（宽2.5m）临界水深hk=0.944m，根据hk推算出泄槽段水深及边墙高度，计算结果见下表。
水平里程（km+m） 计算水深（m） 流速（m/s） 掺气后水深
（m） 计算边墙高
（m）
0+020.000 0.944 2.970 0.972 1.47
0+040.000 0.405 11.539 0.452 0.95
0+65.277 0.370 12.631 0.417 0.92
0+076.328 0.336 13.909 0.383 0.88
0+080.122 0.360 12.981 0.407 0.91
0+103.542 0.500 9.347 0.547 1.05
0+131.274 0.650 7.190 0.697 1.20
0+172.045 0.812 5.755 0.859 1.36
0+185.00 0.322 14.513 0.369 0.87
0+189.700 0.300 15.578 0.347 0.85
0+198.292 0.280 16.690 0.327 0.83
0+231.406 0.264 17.671 0.311 0.81
3.消能防冲计算
采用挑流消能。底流消能的洪水标准为20年一遇，对应的下泄流量Q=3.62m?/s。
挑距计算公式为：
L=1/g（v12sinθcosθ+ v1cosθ（v12sin2θ+2g（h1cosθ+ h2）1/2）
式中：L——挑流鼻坎末端至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；
θ——挑流水舌水面出射角，近似取鼻坎挑角，（°）；
h1 ——挑流鼻坎末端法向水深，m；
h1 ——鼻坎顶至下游河床的高程差；
v1——鼻坎坎顶水面流速，m/s。
经过计算L=8.08m。
最大水垫深度计算公式為：
T=kq1/2Z1/4 式中：T——自下游水面至坑底最大水垫深度，m；
q——鼻坎末端断面单宽流量，m3/（s.m）；
Z——上、下游水位差，m；
K——综合系数。
经过计算T=2.75m。
2.1.3稳定计算
1.控制段抗滑稳定及基底应力计算
控制段基底面的抗滑稳定安全系数计算公式如下：
式中：K——按抗剪断确定计算的抗滑稳定安全系数；
∑W——全部荷载对计算滑动面的法向分量，kN；
∑P——全部荷载对计算滑动面的切向分量，kN；
f?——抗剪断摩擦系数；
C?——抗剪断黏聚力，Kpa。
控制段基底应力计算公式如下：
式中——堰体基底应力的最大值或最小值（kPa）；
∑G——作用在堰体上的全部竖向荷载，kN；
∑M——作用在堰体上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；
W——堰体基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m4。
计算成果见下表。
序号 荷载组合 计算情况 基底应力（kPa） 抗滑稳定
Pmax Pmin 地基允许
承载力 φ C（Kpa） 计算值 规范
允许值
1 基本
组合 完建情况 30.4 30.4 150 20 18 — —
2 设计洪水位 34.61 34.03 150 20 18 183.07 3
3 特殊
组合 校核洪水位 52.52 19.72 150 20 18 129.43 2.5
4 地震情况 71.51 0.72 150 20 18 24.72 2.3
通过以上计算成果可得控制段设计满足规范要求。
2.泄槽段稳定复核
溢洪道泄槽段整体抗滑稳定采用抗剪强度公式进行计算。分别对底坡不同的泄槽进行稳定复核，按校核洪水时最不利的情况进行计算。
计算公式如下：
式中：Kc——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；
——底板混凝土与基岩之间的摩擦系数；
——作用于接触面上的全部荷载对计算滑动面的法向分力；
——作用于接触面上的全部荷载对计算滑动面的切向分力；
τ——水的流动拖力；
γ——水的容重；
A——泄槽底板面积；
R——水力半径；
b——为水面宽度；
h——为计算断面水深；
J——水能坡降；
——流速系数；
H——为上下游水位差；
L——计算泄槽段长度。
经过计算泄槽第1、2、3段当下泄校核洪水流量时：Kc分别为3.27、17.51、3.21，该条件下满足抗滑稳定要求。
2.1.4结构计算
采用有限元法。计算成果见下表
里程 计算工况 位置 轴向力（KN） 剪力（KN） 弯矩（KN.m）
0+014 完建 侧墙杆底端 20.20 -45.98 37.77
完建 底板杆端 45.98 20.20 47.53
完建 底板杆中 45.98 0 3.60
0+215 完建 侧墙杆底端 14.00 -36.25 16.52
完建 底板杆端 36.25 14.00 20.95
完建 底板杆中 36.25 0 1.00
溢洪道计算配筋为Φ14@200的双层二级钢筋。
3结束语
复核采用可研推荐的轴线，比较选定了挑流鼻坎的里程和挑射角；比较陡槽的抗滑稳定的主要措施采用锚筋抗滑，减少底板厚度0.1m、边墙厚度0.1m、齿墙深度0.8m，降低施工难度，减少造价27.46万元。溢洪道陡槽段比较陡时通过加厚边墙对陡槽的抗滑稳定帮助不大，其厚度只要满足横向结构计算要求即可，而在合适的地质条件下采用錨筋抗滑的措施最经济。