5.7 溢洪道改建设计

5.7.1 改建目标及基本方案确定

5.7.1.1 现溢洪道存在问题

角峪水库现状溢洪道位于大坝右端，为正槽开敞式溢洪道，由引水渠、溢流堰和下游泄槽组成，总长约980m。水库建成时，原溢洪道进口宽只有70m，1975年9月16日水库流域降暴雨，溢洪道行洪水深1.3m，最大泄量100m³/s，当时下游农田淹没冲蚀破坏严重，大坝经抢险后未出现较大险情。1976年对溢洪道进口段进行了扩挖，使进口宽度达到100m，底高程163.57m。

现状溢洪道引水渠长约220m，底宽169～100m，底高程161.60～163.57m；溢流堰为宽顶堰，无控制设施，堰面为开挖的风化闪长岩面，堰顶净宽100m，堰顶高程163.57m；溢洪道泄槽无衬砌，宽度由100m渐变为20m左右，泄槽过流能力不足、抗冲刷能力差；下游无消能防冲设施，多处形成冲沟。

根据水库管理方介绍，由于水库带病运行，在较长时间内水库汛期运用方式是降低汛限水位迎洪，即在汛前较长时间段内采用放水洞预泄、降低水位，以损失水库兴利库容为代价保证水库防洪能力。

水利部大坝安全管理中心对角峪水库溢洪道的主要鉴定结论为：溢洪道未做护砌和消能工程，不满足抗冲要求，出水渠断面不足，回水影响坝脚安全。

5.7.1.2 改建目标

鉴于溢洪道存在的上述问题，溢洪道改建的目标为：

（1）恢复水库原设计功能，并在汛期有足够能力宣泄洪水，保证大坝安全。

（2）控制一定标准内的洪水的最大下泄流量，以充分发挥水库防洪功能，保证下游生产和生活安全。

（3）控制下泄洪水对泄槽段及下游的冲刷，保证大坝安全。

5.7.1.3 改建方案选择

由于工程历经多次改建和续建，尽管现状溢洪道存在诸多遗留问题（如溢洪道轴线弯道过多、无消能设施等），但结合本中型水库工程实际，新建溢洪道或泄洪洞将涉及征地、移民、原溢洪道处理等诸多问题，无论从投资还是建设条件方面都不具备优势，从定性分析可以否定。

因此根据改建目标，可行性的改建方案包括以下两个方案：

方案一：原址无闸门控制溢洪道改建方案。

方案二：原址溢洪道改建增加堰（闸）控制段方案。

开敞式无闸门控制溢洪道运用管理简单，超泄能力大，但不能充分发挥水库的防洪功能，下泄最大流量不易控制，下游安全标准低，上游相对较低标准洪水即可危及下游安全，本工程1975年9月16日的水库险情也验证了开敞式溢洪道的这一缺点。

根据《角峪水库防洪预案》，下游第一安全泄量为120m³/s，第二安全泄量为491m³/s。若采用开敞式溢洪道，即使扩建泄槽段增加过流能力后（开敞式溢洪道泄流能力见表5.7-1），在满足大坝不加高条件下，高程163.57 m水位起调，设计洪水过程（P=1%），开敞式溢洪道最大泄量为367.92m³/s；校核洪水过程（P=0.1%），开敞式溢洪道最大泄量为564.03m³/s；即使是20年一遇洪水标准，开敞式溢洪道的最大泄量也达234.13m³/s，均大于下游核定的第一安全泄量120m³/s。

由此，根据下游防洪要求，增加闸门（堰）控制泄洪是必要的。考虑工程现状、控泄流量和改建工程量等因素，控制工程的控泄目标定为：设计洪水位以下洪水控泄最大泄量120m³/s，设计洪水位以上敞泄，但校核洪水时最大泄量不超过491m³/s。

综上所述，角峪水库溢洪道改建方案推荐采用“原址溢洪道改建增加控制工程方案”。该方案工程措施主要包括：新建控制工程、新建泄槽防护工程、增建消能、防冲工程和扩挖尾水渠等。

5.7.2 总布置方案比选

5.7.2.1 总布置方案比选内容

与新建溢洪道的工程布置不同，在原有开敞式溢洪道基础上进行改建，必须紧密结合现状溢洪道的布置和结构，尽量利用其合理的和有利的部分，经增建、改建或扩建，以较小的代价，达到预期的目标。

根据改建工程的以上特点，加之本工程改建后溢洪道轴线及各工程部位位置已相对明确，仅控制段结构形式及控制段的位置对溢洪道工程总布置影响较大，因此主要对控制段的结构型式和控制段在整个溢洪道体系中的位置进行了比选，泄槽及消能防冲布置根据实际地形条件进行综合分析和布置。

5.7.2.2 控制段结构形式方案比选

原溢洪道为开敞式溢洪道，泄流控制段为宽100m的宽顶堰。根据改建方案比选结果，需要设控制工程（堰或闸）以控制下泄流量，但本工程现状溢洪道控制段宽度条件决定了改建方案控制段布置的多样性，针对这一问题，提出了三种可行方案：开敞式溢流堰和控制闸结合方案、闸坝（封堵）结合方案、无闸门控制高低堰结合方案。

（1）开敞式溢流堰和控制闸结合方案。开敞式溢流堰和控制闸结合的结构形式，即在控制段中部设控制闸，两侧设开敞式溢流堰，溢流堰堰顶高程以下水位时泄水通过闸门调节，堰顶高程以上水位时敞泄。

由此，该方案的主要问题是溢流段堰顶高程、溢流段长度、闸门控制段长度和闸门控制段底坎高程（堰顶高程）之间相互协调关系的比选上。以上四个要素的组合将会引出众多比选方案，而控制段结构形式方案比选的最终目标是在坝体不加高条件下控制不同标准洪水条件下的最大下泄流量。

根据《角峪水库防洪预案》，下游第一安全泄量为120m³/s；第二安全泄量为491m³/s，因此控泄目标为设计洪水位以下条件时控泄最大流量为120m³/s，且需要同时满足校核洪水过程最大泄量不超过491m³/s。因此溢流段堰顶高程由设计洪水位确定，在总宽度一定条件下，溢流段宽度取决于闸门控制段宽度，而闸门控制段宽度由不同闸底高程条件下闸和堰的综合泄流能力决定，综合泄流能力的控制标准是充分利用水库防洪库容，且校核洪水标准下大坝不需加高。综合泄流能力过大，现状水库防洪库容得不到充分利用，综合泄流能力过小，大坝需要加高。

由此可见，堰闸结合布置方案的方案比选是众多因素的综合比选，是个逐步试算的过程，这里仅把几个代表性方案的比较及结果进行汇总，具体见表5.7-2。

从表5.7-2可以看出，同样闸孔尺寸条件下，随控制段闸底板高程升高，控制闸段过流能力降低，设计洪水位升高，堰顶高程升高，校核洪水过程综合泄流能力降低，校核洪水位相应增加；同样闸底高程条件下，随闸孔尺寸增加过流能力增加，设计洪水位降低，堰顶高程降低，校核洪水过程综合泄流能力增加，校核洪水位相应降低。

经坝顶高程计算在大坝不加高条件下，充分利用大坝除险加固后具备的防洪能力（防洪库容）。其他方案由于泄流能力较大，校核洪水位较低，不能充分利用防洪库容。同时，如果继续抬高闸底板及溢流段堰顶高程，降低过流能力，大坝则需要加高，不符合本次除险加固原则。由以上比较，对于开敞式溢流堰和控制闸结合方案采用方案E。本方案工程直接投资见表5.7-3。

（2）闸坝（封堵）结合方案。闸坝（封堵）结合方案，即在控制段中部设控制闸，闸两侧原溢洪道范围采用均质土坝封堵与左岸原坝体及右岸岸坡衔接。该方案控制闸堰顶高程和堰宽由以下两个条件确定：一是20年一遇洪水时最大下泄120m³/s；二是大坝不加高。

根据以上条件，并在方案一比较基础上，设3孔×5m净宽闸门控制段，闸底高程162.00m，闸两侧原溢洪道采用均质土坝封堵。经计算，此方案对应水位为100年一遇洪水位166.11m，1000年一遇洪水位167.28m，大坝不需要加高。溢洪道封堵段土坝坝顶高程同原大坝为167.50m，土坝上游坡采用1∶2.5，下游坡采用1∶2。

该方案采用坝体封堵部分原溢洪道，与方案一比较，取消了溢流堰。但闸后过水断面由100m缩减为19m，增加了陡槽前（0+162.8前）边墙高度；另外增加了该段挡墙后原溢洪道范围内的土方回填量及封堵段坝体填筑量；同时30年一遇洪水最大泄量为141m³/s（方案一30年一遇洪水位最大泄量为120m³/s），与方案一相比，增加了消能防冲工程量。综合以上因素，经计算，方案二直接投资较方案一增加4.00万元。本方案工程直接投资见表5.7-4。

（3）无闸门控制高低堰结合方案。无闸门控制高低堰结合方案，即在控制段中部设低堰，堰顶高程163.57m（正常蓄水位），两侧设开敞式溢流堰，堰顶高程为20年一遇洪水时相应洪水位。中部低堰的宽度满足20年一遇洪水时最大下泄120m³/s，两侧开敞式溢流堰宽度满足大坝不加高。

按以上要求试算，中部堰宽26m时满足20年一遇洪水时最大下泄120m³/s，对应洪水位为165.74m，此水位即两侧开敞式溢流堰堰顶高程，两侧采用宽顶堰，堰宽为2×36m时，对应1000年一遇洪水位167.18m，满足大坝不加高。

根据调洪计算，该方案校核洪水位（1000年一遇）最大泄量为461 m³/s，较方案一有较大增加（方案一校核洪水位最大泄量为391m³/s）；同时该方案30年一遇洪水最大泄量为148m³/s，较方案一也有增加（方案一30年一遇洪水位最大泄量为120m³/s）。因此该方案泄槽及消能防冲工程量较方案一都有所增加。但由于该方案不设闸门，减少了控制闸机电及金属结构部分投资。经计算，方案三直接投资较方案一减少27.87万元。本方案工程直接投资见表5.7-5。

综合分析以上三个方案，其各自的特点分别如下。

方案一：开敞式溢流堰和控制闸结合方案，该方案不仅可以解决泄流控制问题，也解决了沿溢洪道全宽设闸门的经济合理性问题，同时溢流段也具备一定的超泄能力，满足可能的超标准洪水泄洪需求。缺点是相对无闸门方案，溢洪道投资略高。

方案二：闸坝（封堵）结合方案，该方案特点在于以坝代堰缩短了控制段长度，且投资与方案一相当，控泄标准也可以达到工程要求的标准。但由于现状溢洪道是经历水库建成以来的多次改建在长期运用过程中逐步形成的，采用坝体封堵部分原溢洪道过水断面，不仅未能充分利用长期以来形成的有利地形条件，封堵后超泄能力极大降低，同时考虑到小流域水文资料的精确程度，在可能的超标准洪水情况下，大坝及下游安全得不到可靠保证。水流出闸后一直处于弯道，整个泄槽段水流流态不好。

方案三：无闸门控制高低堰结合方案，优点是充分利用了现状溢洪道地形条件，高低堰结合型式也具备一定的超泄能力，满足可能的超标准洪水泄洪需求。同时无闸门控制，运用方便，投资最少。但该方案控泄标准比方案一低，泄量大，相应洪水位较低，不能充分利用现状库容为水库提供的防洪效益。同时汛期无闸门调控，不利于实现流域内多水库联合防洪调度。

经以上综合分析，并着重从工程安全、充分发挥水库防洪效益两方面考虑，溢洪道控制段结构型式方案采用方案一，即开敞式溢流堰和控制闸结合方案。闸底高程为162.00m，控制段采用3孔×5m净宽闸门控制，溢流段堰顶高程166.34m，溢流段过水断面宽度2m×39.0m。对应设计洪水位166.34m，校核洪水位167.35m。

5.7.2.3 控制段布置方案比选

结合本工程现溢洪道实际条件，对溢洪道控制段工程布置进行了“近坝布置方案”和“远坝布置方案”两个方案的比较。两个方案的区别在于控制段轴线位置，“近坝布置方案”控制段轴线紧贴现东坝头，“远坝布置方案”控制段轴线位于“近坝布置方案”下游40m。

两方案控制段结构并无实质区别，主要区别在于溢洪道和大坝的衔接及进口水流条件两个方面，“贴坝布置方案”与原坝体衔接条件好，但引渠弯道后至堰（闸）前的直线段距离较小（12.5m）；“远坝布置方案”需要延长坝体，增加投资，但引渠弯道后至堰（闸）前的直线段距离较大（52.5m），闸前水流条件优于“贴坝布置方案”。

经过综合比较，根据《溢洪道设计规范》（SL 253—2000），第2.2.1第4条，进水渠需要转弯时，弯道至控制堰（闸）之间宜有长度不小于2倍堰上水头的直线段，控制段最大堰上水头为5.35m，“贴坝布置方案”也满足这一规定，同时考虑到原开敞式溢洪道引渠较宽，弯道对水流条件影响不大。因此推荐控制段布置方案“近坝布置方案”。

5.7.2.4 泄槽及消能防冲结构布置原则及方案确定

原溢洪道除进水渠和100m宽溢流槽段为人工开挖形成外，其余部分多为自然冲刷形成，局部冲刷严重，地形条件较为复杂。针对此地形条件，溢洪道泄槽及消能防冲结构的设计原则是：在满足各部位设计功能前提下尽可能根据现状地形条件，协调布置各部位建筑物，减小开挖，以减小工程投资及开挖弃渣对环境的影响。

溢洪道控制闸（堰）后至天然河道水平距离约720m，此段高程由163.50m降至150.00m，天然落差13.5m。由于局部冲刷，沿程地形变化复杂：闸后约150m范围内坡度较小，且有一洼地（据业主介绍为采石形成），该坑顺水流长度约23m，宽约76m，深约2.5m；其后约200范围内集中了近10m落差，此范围内冲刷严重；之后到灌溉渡槽之间约70m范围内为一缓坡区域；渡槽附近为一天然跌水（冲坑），落差约1.5m，掏刷严重，危及渡槽基础安全；最后至河道间为缓坡滩地，主槽断面极小（最窄处约4m），过流断面严重不足，漫滩及滩面冲刷痕迹随处可见。

根据以上地形特点，结合本工程泄槽及消能防冲结构的设计原则，拟定了溢洪道闸后泄槽及消能防冲结构布置方案：闸后经过渡段后利用天然采石坑修整衬护作为天然消力池，其后设平底渐变段调整流态接陡槽，陡槽尾部设主消力池（挖深式底流消能），主消力池后接平坡过渡段，其后利用天然地形设跌水，消能后尾水接尾水渠入下游主河道。同时考虑到泄流过程中原跨溢洪道渡槽基础安全与溢洪道泄槽过流能力之间的相互不利影响，将原渡槽改建为倒虹吸。

5.7.3 建筑物设计

5.7.3.1 结构组成与布置

根据工程总体布置方案比选结果，溢洪道改建工程总体布置由上而下分为以下几部分：进水渠、控制段、闸（堰）后过渡段、天然消力池、陡槽前过渡段、陡槽段、主消力池、平坡过渡段、跌水、尾水渠和穿溢洪道倒虹吸。

本次设计是在减少工程投资的基础上进行的，闸后没有衬砌段，平时应多进行观测，若岩石风化严重，影响到工程运行安全，应及时进行衬砌。

5.7.3.2 进水渠

进水渠整体上基本维持现溢洪道进水渠型式，改建部分包括高程162.00m引水渠、堰前高程163.50m混凝土铺盖、东坝头与控制段衔接结构、右岸堰前岸坡过渡段及防护。

高程162.00m引水渠起点桩号0-086.37，终点至闸前桩号0-016.00，底宽19m，闸前10m范围采用混凝土衬砌并兼做防渗铺盖，衬砌厚度0.3m。

堰前10m范围（0-026.00～0-016.00）高程163.50m采用混凝土防渗铺盖，单侧溢流堰堰前混凝土铺盖垂直水流向长度39m，厚度0.3m，顺水流方向每10m设沉降缝，并设橡胶止水。

进水渠段东坝头与控制段的衔接采用浆砌石护坡（1∶2）到浆砌石重力挡墙直墙的过渡扭面衔接，保证进口水流的平顺过渡。浆砌石护坡与坝体上游护坡衔接。

右岸堰前岸坡过渡段型式与东坝头近似，也采用浆砌石扭面过渡与原进水渠右岸坡衔接，过渡段上游衔接段根据原进水渠段地形设39m长浆砌石护坡避免进口段岸坡冲刷，浆砌石护坡坡度1∶2，垂直厚度0.3m。

5.7.3.3 控制段

控制段（0-016.00～0+000.00）总体上包括三个部分：控制闸、溢流堰和交通桥，控制闸布置在整个控制段中部，溢流堰在闸两侧对称布置，交通桥位于控制闸（堰）下游，与控制闸（堰）平行布置。控制段结构总体尺寸顺水流长度16m，垂直水流方向长度100m。

（1）控制闸。控制闸闸室段沿水流向长度8.0m，底板垂直水流方向总宽20.0m。底板顶面高程162.00m，底板厚1.0m，闸底板开始和末尾处垂直水流方向设宽1.0m，高0.5m的齿槽，闸室底板与基础间设0.10m的C15素混凝土垫层。闸室设3孔，孔口尺寸5.0m×5.9m（宽×高）。

闸室中墩厚1.5m，边墩厚1.0m，顺水流向长度均为8.0m。闸墩沿水流方向依次设有检修门槽和工作门槽，门槽尺寸0.80m×0.55m（宽×深），闸墩顶高程由计算定为167.90m，在该高程设检修工作平台，检修平台设人行工作桥，桥宽1.0m，工作桥通过启闭室工作楼梯167.90m平台段与闸后交通桥衔接，人行工作桥桥两侧设钢制栏杆，保证检修期间人员行走安全。

机架桥结构为框架结构，排架层高6.0 m，顺水流方向净跨6.0m，排架柱共8根，柱断面尺寸0.50m×0.50m，检修门启闭设备（移动电动葫芦）悬挂于起吊钢梁上，起吊钢梁固定于机架桥次梁上，工作门启闭机（固定卷扬式）固定在启闭机支撑梁上，启闭荷载通过框架结构传导至闸墩。

启闭机层位于高程173.90m，启闭机层总体尺寸19.60m×7.0 m，该层设3组6台工作门启闭机。

启闭机层以上设启闭机室以保护启闭及电器设备，启闭机室顶高程177.50m，层高3.60m，为砖混结构。

启闭机室与交通桥间设工作楼梯，楼梯宽度0.9m，分两级，楼梯共两组，对称布置于闸室两侧。

（2）溢流堰。溢流堰对称布置于控制闸两侧，顺水流长度8.0m，单侧溢流净宽为39.0m，堰型为有底坎宽顶堰，堰基础面高程162.00m，堰前坎底高程163.50m，堰顶高程166.34，堰顶宽2.6m，堰顶进口边缘修圆，修圆半径R=0.5m，堰后设1∶1下游坡。堰后底板顶高程163.50m，下游坡与堰顶及堰后底板衔接段均修圆，修圆半径分别为0.35m和0.5m。

（3）交通桥。交通桥布置于溢流段和控制闸段下游，与堰（闸）平行布置，交通桥共11跨，净跨5.0m共3联位于闸后，净跨9.0m共两部分，每段4联，在闸后对称布置，结构整体尺寸顺水流方向长度8.0m，垂直水流方向长度100.0m。

交通桥下部结构包括基础和桥墩。桥墩基础采用扩大基础，基础底宽3.0m，顶宽2.0m，堰后桥墩中墩厚1.0m，闸后中墩厚1.5m，边墩为悬臂式挡墙结构，墩厚1.0m，基础长度4.5m。堰后桥墩间净距9.0m，闸后桥墩间净距5.0m。

交通桥上部结构包括预制桥板、沥青混凝土路面及栏杆等。交通桥桥宽7m，其中沥青路面净宽6m，与坝顶路面宽度相同，路面两侧各设0.5m安全带。桥面采用预制钢筋混凝土空心板，荷载标准汽车—20级、挂车—100级，边板2快，中板2块；堰后交通桥预制桥板跨径10m，共8联，闸后交通桥预制桥板跨径6m，共3联。沥青路面厚度5cm，混凝土基层厚度15 cm。桥面栏杆采用混凝土栏杆。

5.7.3.4 闸（堰）后过渡段

闸后过渡段（0+000～0+085.0）是溢洪道泄槽的起始段，衔接控制段和天然消力池。该段依照原溢洪道泄槽地形布置，主要改建工程包括闸后19m宽泄槽、岸坡防护和堰后槽底衬砌。

闸后泄槽是闸后过渡段设计洪水位以下洪水泄流通道，槽宽19.0m，槽深1.5m，底坡i=0.005，起点接闸后高程162.00m，终点接天然消力池池前高程161.58m。考虑溢洪道基础为岩石，水头较小，仅将交通桥后10m段进行混凝土衬砌，衬砌厚度0.3m。

原溢洪道岸坡为天然开挖岸坡，为全风化闪长岩，考虑到此段过流宽度大，流速低，桩号0+010～0+085段边坡开挖为1∶2.5，不衬砌。

堰后槽底主要宣泄超百年一遇洪水，槽宽2m×39.5m，考虑到运用频率较低，仅将交通桥后10m段进行浆砌石衬砌护底，衬砌厚度0.3m。

5.7.3.5 天然消力池

天然消力池（0+085.0～0+118.0）是利用现状自然地形条件修整后形成的消能结构，其主要功能是减小陡槽前弯道过渡段的流速，避免弯道段流速过大。天然消力池基本维持该段原状地形，仅局部开挖调整水流条件。

天然消力池0+085.0～0+095.0段设陡坡与池底衔接，陡坡坡度闸后泄槽段为i=0.108，即高程161.58～160.50m；堰后泄槽段为i=0.258，即高程163.08～160.50m。

池底高程160.50m，顺水流向总长度17m，宽度根据地形渐变78.4～67.0m，池两侧开挖保留2m宽平台以减小池侧挡墙高度。由于此段的水头较低，天然消力池池底及池侧岸坡仅进行开挖整修，不进行衬砌。

5.7.3.6 陡槽前过渡段

陡槽前过渡段（0+118.0～0+162.8）是泄槽由宽浅泄槽到陡槽的过渡段，过水断面宽度由69.0m渐变到陡槽起坡点的40.0m，此段轴线设半径为150m弧段调整水流方向，使水流导向下游陡槽。此段限制于原溢洪道条件，必须设置弯道和渐变，水流条件较为复杂，但由于位于天然消力池之后，流速小，流速在横断面内分布相对均匀，不存在冲击波对水流扰动问题。

陡槽前过渡段设为平坡以进一步调整水流进入陡槽时的流态，底高程根据地形地质条件设为161.90m。此段基础为岩石，不再进行衬砌。

5.7.3.7 陡槽段

陡槽段（0+162.8～0+279.90）是整个泄水系统中的重要部分，但由于冲刷严重，该段现状地形条件复杂，新建陡槽轴线布置和纵坡设计较为复杂，在保证泄流前提下为尽量减小挖填方量，泄槽轴线布置尽量沿现状冲沟槽底线布置，纵坡设计以减小开挖且避免大规模槽底填方为原则。平面布置上，接陡槽前过渡段半径150m圆弧设渐变段，其后为直线段直至主消力池，以保证泄槽和消力池的平顺水力衔接。

陡槽段底坡i=0.068，槽底高程161.90～153.90m。陡槽段分为两部分：渐变段（0+162.8～0+218.62）和等宽段（0+218.62～0+279.90）。

渐变段槽底宽由40m渐变到16m，等宽段底宽16m。由于此段基础岩石较好，可不进行衬砌。

陡槽段尾部（桩号0+270～0+279.9），为了不破坏消力池结构，此段底板采用混凝土衬砌，衬砌厚度0.5m。此段设无砂混凝土排水孔，排水孔孔径0.1m，顺水流方向共9排，排间距1.0m。

5.7.3.8 主消力池

主消力池（0+279.90～0+322.00）集中消减陡坡段积聚水头，主消力池位置根据地形条件选择在天然陡坡段与下游缓坡段的折点位置。由于消力池下游天然坡度极缓，消能后需要过水断面较大，经计算为40m，陡槽段宽度仅为16m，为衔接上下游，综合分析和计算（参见主消力池水力计算）后采用挖深式底流消能，消力池边墙扩散，为减小消力池底坎挖深，增加辅助消能工。

主消力池包括陡坡衔接段、护坦、趾墩、尾坎及消力池边墙。

（1）陡坡衔接段。陡坡衔接段（0+279.90～0+300.00）是陡槽段和消力池护坦的衔接段，该段净宽仍为16.0m，纵坡度分为两段，0+295.56前纵坡与上段相同为i=0.068，之后接弧段加大纵坡至1∶4，以满足消力池挖深要求，同时避免泄槽段的整体挖深增加开挖工程量。

该段边墙顶高程与消力池边墙顶高程相同，为157.50m，因此随槽底高程降低，边墙高度增加，高度由3.6m渐变到5.7m，随边墙高度增加，悬臂式挡墙结构由于开挖断面较大已不适合，同时考虑该段均为岩石开挖，强风化闪长岩饱和抗压强度达48.4MPa，因此该段边墙采用锚杆式挡墙，挡墙厚度1.0m，岩石锚杆长度3.0m，间距1.0m×1.0m。

根据《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）第4.4.2条规定，泄槽底板在消力池最高水位以下部分，应按消力池护坦设计。因此该段底板厚度采用1.0m，与消力池护坦厚度相同。

（2）护坦。护坦设计的主要部分是确定护坦高程，和护坦长度，以满足在池内形成淹没水跃或稍有淹没的水跃。

由于陡槽尾端收缩水深和池后下游水深已定，护坦底高程取决于不同消能结构型式的挖深需要，因此比较了边墙不扩散方案、边墙扩散方案和边墙扩散增加辅助消能工三个方案，根据计算（见水力设计部分）边墙不扩散方案护坦高程150.80m；边墙扩散方案护坦高程151.20m；边墙扩散方案增加辅助消能工方案护坦高程为151.80m；为减小挖深，降低边墙高度，护坦高程采用高程151.80m方案。

护坦长度根据相应方案计算为22m，护坦厚度为1.0m，为满足抗浮要求，在底部设无砂混凝土排水孔，顺水流方向共12排，排水孔孔径0.1m，排间距1.0m。

（3）趾墩、尾坎。根据水力学计算结果（见水力设计部分），趾墩及尾坎布置型式依照《水力学计算手册》中USBRⅢ型消力池布置，趾墩墩宽、墩高和间距都取值为0.5m（近似于设计流量下的收缩水深h_c=0.618m），尾坎池内侧坡度池内侧1∶2，尾坎顶高程154.30m，顶宽0.5m。

（4）消力池边墙。虽经采用多种措施尽量减小护坦大挖深带来的边墙过高问题，经计算需要的边墙净高也达5.7m，加上护坦厚度1.0m，和基础垫层0.1m，边墙总高度为6.8m，悬臂式和重力式挡墙结构已不适合，与渐变段边墙相同，同时考虑该段均为岩石开挖，且岩石强度高，经比较边墙采用锚杆式挡墙，挡墙厚度1.0m，岩石锚杆长度3.0m，间距1.0m×1.0m。

5.7.3.9 平坡过渡段

平坡过渡段（0+322.00～0+420.00）是主消力池和下游跌水之间的衔接段，底高程均为153.50m。该段设成平坡的原因：一是该段地形条件平缓且天然主槽断面小，陡坡开挖量较大；二是平坡可增加主消力池池后断面水深，从而减小消力池挖深。该段分为两部分：扩散段（0+322.00～0+350.00）和等宽段（0+350.00～0+420.00）。

扩散段（0+322.00～0+350.00）是主消力池后的延伸段，不将扩算段全部设在主消力池范围内的原因是：避免扩散角过大导致扩散段中的扩散水流可能出现的扩散不佳，致使侧壁处产生回流从而迫使主流折冲侧壁形成折冲水流。扩散段由于紧接主消力池，水力条件相对复杂，该段边墙和底板均采用钢筋混凝土结构。底板过水断面宽度由26.56m扩散到40m底板衬砌厚度0.4m，设沉降缝并设橡胶止水。边墙高度4.0m，采用悬臂式钢筋混凝土挡墙，经结构计算，墙顶厚度0.5m，墙底断面厚度0.6m，底板厚度0.5m，墙后底板长度3.0m，墙前底板长度2.0m。

等宽段（0+350.00～0+420.00）过水断面宽度均为40m，该段为缓流段，槽底不衬砌；边墙为重力式浆砌石挡墙，由于该段后接跌水，沿程水深渐落，因此边墙高度渐变，由4.0m渐变到3.0m，墙顶宽0.5m，顶高程由157.50m渐变到高程156.50m，墙后坡度均为1∶0.5。

5.7.3.10 跌水

跌水（0+420.00～0+450）是泄槽段与尾水渠间的衔接段，跌水平面位置位于天然跌坎处，依据现状地形条件布置。跌水由进口段（0+420.00～0+430.00）、跌水墙、消力池（0+430.00～0+440.00）和出口段（0+440.00～0+450.00）四部分组成。四部分除出口段边坡为浆砌石结构外均为钢筋混凝土结构。

（1）进口段（0+420.00～0+430.00）。进口段衔接上游平坡过渡段，底宽40.0m，底高程153.50m，进口型式为矩形缺口。渠底采用厚0.4m混凝土衬砌，边墙高度3.0m，采用悬臂式钢筋混凝土挡墙，经结构计算，墙顶厚度0.5m，墙底断面厚度0.6m，底板厚度0.5m，墙后底板长度3.0m，墙前底板长度1.0m。

（2）跌水墙。跌水高度较小为2.0m，故跌水墙型式采用垂直式，采用悬臂式钢筋混凝土挡墙，经结构计算，墙顶厚度0.5m，墙底断面厚度0.8m，底板厚度0.5m，墙后底板长度3.0m，墙前底板长度2.0m。

（3）消力池（0+430.00～0+440.00）。经水力计算（见水力设计），消力池底高程150.50m，池长10.0m，宽40.0m。底板厚度0.5m，底板设无砂混凝土排水孔，顺水流方向共设5排，排水孔孔径0.1m，排间距1.0m。消力池边墙为悬臂式钢筋混凝土挡墙，挡墙高度由6.0m渐变为4.0m，经结构计算，挡墙顶厚度0.6m，墙底断面厚度1.0m，底板厚度0.8m，墙后底板长度3.0m，墙前底板长度3.0m。

（4）出口段（0+440.00～0+450.00）。出口段衔接跌水消力池和下游尾水渠，底高程152.00m，宽度40.0m。渠底采用混凝土衬砌，衬砌厚度0.3m；边墙采用浆砌石，边墙高度2.5m，该段边墙为扭面，由重力式挡墙渐变为1∶2护坡，接下游尾水渠。

5.7.3.11 穿溢洪道倒虹吸

现状溢洪道桩号0+425附近有一渡槽，横跨溢洪道泄槽，渡槽基础为浆砌石基础，泄槽范围内共设8个槽墩，严重阻水，槽墩经多年泄水冲刷，损坏严重，且该处紧邻地形跌坎，长期冲刷，渡槽安全不能保证。因此考虑到泄流过程中渡槽基础安全与溢洪道泄槽过流能力之间的相互不利影响，将原渡槽改建为倒虹吸。

原跨溢洪道渡槽是角峪水库东放水洞后灌溉渠道的一部分，东放水洞设计流量为2.0m³/s，因此倒虹吸设计流量按2.0m³/s。

由于倒虹吸规模较小，倒虹吸布置采用竖井式。倒虹吸由进口竖井段、预制管身段和出口竖井段三部分组成。

（1）进口竖井段。进口竖井段位于溢洪道跌水进口段左岸，竖井平面尺寸3.0m×3.0m，该尺寸由预制段管身直径和竖井整体稳定性确定。竖井钢筋混凝土结构边墙顶高程与进口渠道边墙顶高程相同为157.80m，竖井底高程由溢洪道泄槽底高程和管身直径及管底集砂坑深度综合确定为149.50m。竖井边墙厚度0.5m，垂直倒虹吸水流方向上下游设扶壁，扶壁位于边墙中部，扶壁厚度0.5m，顶宽0.5m，底宽3.0m。

进口渠底高程156.20m，竖井进口边墙设溢流槽，槽顶高程157.60m，溢流槽保证下游渠道在可能出现的事故工况条件下，控制倒虹吸前水位，渠道弃水通过溢流槽进入溢洪道不致影响溢洪道跌水段边墙安全。

（2）预制管身段。预制管身段采用钢筋混凝土预制圆管，以埋涵型式穿过溢洪道底部，涵管采用预制钢筋混凝土圆管，管型号RCP Ⅲ 1800×2000，单节长2.0m，管径1.8m，壁厚0.18m，共28节，刚性接口企口管。涵管基础为C25素混凝土基础，涵管基础支撑角2α=120°，基础每14m设一沉降缝。

（3）出口竖井段。出口竖井段位于溢洪道跌水进口段右岸，竖井结构型式与进口相同，仅边墙顶高程降为157.70m与出口渠道边墙顶高程相同，竖井底高程149.50m，竖井边墙厚度0.5m，垂直倒虹吸水流方向上下游设扶壁，扶壁位于边墙中部，扶壁厚度0.5m，顶宽0.5m，底宽3.0m。出口渠底高程156.10m。

5.7.4 水力设计

5.7.4.1 泄流能力计算

（1）控制闸。控制闸尺寸及结构型式已由控制段结构比选确定（见第5.7.2.2节），闸孔尺寸为3孔×5m净宽。水力计算的主要内容是包括两部分：不控泄过流能力计算和控泄过程闸门开度计算。

1）不控泄过流能力计算。按照无坎宽顶堰自由出流公式计算：

式中 σ_c——侧收缩系数；

m——自由溢流流量系数；

n——闸孔孔数；

b——过流宽度，m；

H₀——包括行近流速的堰前水头，即；

g——重力加速度。

由于闸前进水渠为复式断面，考虑侧收缩影响，高程163.50m以下和以上流量系数不同，流量系数采用“直角形翼墙进口的平底宽顶堰流量系数”，查表内插取值。163.5m以下流量系数m₁=0.362；163.5m以上流量系数m₂=0.323。

由于对无坎宽顶堰此流量系数已考虑了侧收缩影响，因此，侧收缩系数，σ_c取1.0。

根据以上参数，经计算，控制闸段不控泄水位—流量关系见表5.7-6。

2）控泄过程闸门开度计算。设计洪水位166.34m以下水位，控制闸控泄流量为120m³/s，控泄过程闸门开度应用闸孔出流公式计算，公式为：

其中

μ=εφ

式中 Q——过流量，m³/s；

σ_s——淹没系数；

n——孔数；

ε——垂直收缩系数；

μ——流量系数；

e——闸孔开启高度，m；

φ——流速系数。

计算结果见表5.7-7。

（2）溢流堰。溢流堰尺寸及结构型式已由控制段结构比选确定，溢流段为有底坎宽顶堰，溢流面净宽2m×39m。水力计算的主要内容为水位—流量关系。

按照有坎宽顶堰自由出流公式计算：

其中

式中 σ_c——侧收缩系数；

m——自由溢流流量系数；

n——闸孔孔数；

b——过流宽度，m；

H₀——包括行近流速的堰前水头；

g——重力加速度。

流量系数取值按进口边缘修圆，P/H≥3.0条件，取m=0.36；侧收缩系数σ_c取0.97。

根据以上参数，经计算，溢流段水位—泄量关系见表5.7-8。

5.7.4.2 溢洪道泄槽水面线计算

溢洪道泄槽水面线通过沿程各控制断面的控制水深，按分段求和法计算。

（1）沿程控制水深计算。各控制水深计算结果见表5.7-9。

（2）分段求和法水面线计算。根据已知断面控制水深，采用分段求和法计算水面线，计算公式如下：

式中 ΔS——计算流段长度，m；

E_sd——ΔS流段的下游断面的断面比能，m；

E_su——ΔS流段的上游断面的断面比能，m；

——流段的平均水力坡度；

i——泄槽段纵坡。

波动及掺气水深计算公式为：

式中 h——不计入波动及掺气的水深，m；

h_b——计入波动及掺气的水深，m；

v——不计入波动及掺气的计算断面上的平均流速，m/s；

ξ——修正系数，可取1.0～1.4s/m，视流速和断面收缩情况而定，当流速大于

20m/s时，宜采用较大值，因渠道流速较小，此处取为1.1。

依据上述公式，泄槽各段水面线计算成果见表5.7-10。

5.7.4.3 天然消力池水力计算

天然消力池由采用现状天然地形修整开挖而成，30年一遇洪水标准泄流均在闸后19m宽泄槽内，而消力池处垂直水流向长度突扩为78.4m，对于此类条件，目前没有可以采用的计算理论。这里按照矩形断面水跃计算方法复核消力池深度和长度，由于实际跃后水深将远小于计算值，对于此消力池是偏于安全的算法。

（1）计算消力池深。

式中 T₀——收缩断面的总能量，m；

h_c——收缩断面的水深，m；

q——收缩断面的单宽流量，m³/s；

Fr_c——收缩断面的弗汝德数；

——跃后水深，m。

式中 Δz——消力池出口水面落差，m；

q——消力池末端单宽流量，m³/s；

φ——水流自消力池出流的流速系数0.95；

h_t——下游水深，m；

σ——安全系数1.05；

s——消力池池深，m。

经计算，跃后水深2.62m，下游水深0.97m，消力池挖深1.65m，如前所述，由于断面突扩，实际跃后水深将远小于计算值，现状坑底高程清理后高程160.50，相当于挖深1.40m，因此认为天然消力池的深度符合要求。

（2）消力池长度。

式中 L_sj——消力池的长度，m；

L_s——消力池斜坡段的长度，m；

β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；

L_j——水跃长度，m。

经计算L_j=13.77；消力池长度L_sj=21.0m，因此天然消力池长度满足要求。

5.7.4.4 主消力池水力计算

（1）设计标准。消能防冲按30年一遇洪水标准（P=3%）设计，相应溢洪道最大泄量为120m³/s。

（2）消力池。共轭水深计算按下列矩形扩散明渠水跃计算公式计算：

式中的ψ按下式计算：

式中 β₀=1.03。

收缩断面水深h_c已由陡槽段水面线计算求得，即h_c=0.618，经计算=3.64m，消力池深度d按《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）所给公式计算，即：

式中——共轭水深，m；

h_t——下游水深；

Δz——消力池出口水面落差，m；

σ——安全系数，此处取σ=1.05。

消力池后为平坡过渡段，底高程153.50m，经水面线推求，当流量120m³/s时，下游水深1.56m，消力池挖深d=3.82 m，对应底坎高程151.20m，为减小消力池挖深，增设辅助消能工，设计流量收缩断面流速为12.13m/s，满足设辅助消能工流速不超过16m/s要求，辅助消能工型式为趾墩和尾坎。

由于趾墩的存在，使收缩水深变为h_c1，由下式解出：

式中 h_cr=h_c1/h_c。

经计算，h_c1=0.741，此收缩水深的共轭水深为=3.30；

由于尾坎的存在，护坦高程可取为下游水位减，由此护坦高程151.80m。

水跃长度L_j按下式计算：

L_j/h′=9.5（F_r1-1）

式中 1.7＜F_r1≤9.0。

计算得消力池长度为21.22m，实际取消力池长度为22.0m。

5.7.4.5 跌水水力计算

跌水按30年一遇洪水标准（P=3.33%）设计，相应泄量为120m³/s。

跌水为垂直式跌水墙，水力计算按以下经验公式：

跌落水舌长度L_d=4.30D^0.27P

水舌后水深h_P=D^0.22P

收缩水深h_c=0.54D^0.425P

跃后水深=1.66D^0.27P

水跃长度

池深s=h″-h_t

池长L_s=L_d+0.8L_j

式中 P——跌坎高度；

q——单宽流量。

跌水计算结果见表5.7-11。

综合考虑该处陡坎地形条件设跌水底高程150.50，池深1.5m，池长10m。

5.7.4.6 穿溢洪道倒虹吸水力计算

（1）计算条件。原跨溢洪道渡槽是角峪水库东放水洞后灌溉渠道的一部分，因此改建后穿溢洪道倒虹吸设计流量按2.0m³/s设计，与东放水洞设计流量相同。

根据实测地形图，原渡槽段上下游渠道衔接边墙顶高程分别为157.80m和157.70m，根据业主提供资料，现渡槽底高程156.20m。

根据以上资料，倒虹吸过水断面规模按照设计流量2.0m³/s时上游游水头差Z=0.10m设计。

（2）水力计算。由于原渡槽段上下游水位已定，水力计算的目的是计算经济的过水断面或管道直径。

倒虹吸管内的水流为压力流，过水能力可按压力管道公式计算：

其中：

式中 Q——倒虹吸设计流量，m³/s。

进出口竖井段局部损失系数取1.0，沿程损失系数λ=8g/c²，c为谢才系数。

由此计算出当Z=0.10m，Q=2.0m³/s时D₀=1.741m，选用定型钢筋混凝土预制管管径D₀=1.80m。

复核管径D₀=1.80m Z=0.10m，时，过流能力为Q=2.15m³/s，对应沿程水头损失h_f=0.027m，局部水头损失h_j=0.073m，过流能力满足要求。

5.7.5 控制段结构计算

5.7.5.1 闸室稳定计算

（1）荷载及荷载组合。作用在水闸上的竖直向荷载主要有闸室自重、设备自重、水重、扬压力等，水平向荷载主要有静水压力。荷载组合分基本组合与特殊组合，其中基本组合包括完建情况、正常蓄水位情况及设计洪水位情况，特殊组合包括检修情况及校核洪水位情况，设计烈度为6度，不计算地震工况。荷载组合情况见表5.7-12。

（2）计算公式。

1）抗滑稳定。抗滑稳定安全系数按《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）混凝土与岩基的抗剪断强度公式计算，计算公式为：

式中 K——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

f′——堰（闸）体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；

c′——堰（闸）体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力；

A——堰（闸）体混凝土与基岩接触面的面积；

∑W——作用在堰（闸）体上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；

∑P——作用在堰（闸）体上的全部荷载对计算滑动面的且向分量。

2）基底应力。基底应力计算公式：

式中 ∑G——作用在堰（闸）体基础上的全部竖向荷载，kN；

——闸室基底应力的最大值或最小值，kP；

A——闸室基底面的面积，m²；

∑M——作用在闸室上的全部竖向和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；

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。

不均匀系数η=P_max/P_min≤［η］。

3）抗浮稳定。抗浮稳定计算公式为：

式中 K_c——闸室抗浮稳定安全系数；

∑V——作用在闸室上全部向下的铅直力之和；

∑U——作用在闸室基底面上的扬压力。

（3）计算条件及参数。闸室段稳定计算按3孔整体进行计算。闸室顺水流长度8.0m，宽20.0m。按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数允许值见表5.7-13。

闸室基础位于全风化闪长岩上部，因此：f′为堰（闸）体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数，按Ⅴ类岩体下限取0.4；c′为堰（闸）体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力，按Ⅴ类岩体下限取0.05MPa；闸室段稳定计算按3孔整体进行计算。闸室顺水流长度8.0m，宽20.0m。

（4）计算成果。闸室段稳定及基底应力计算见表5.7-14。

（5）成果分析。计算成果表明，不同运用工况，控制闸抗滑安全系数和抗浮稳定安全系数均满足规范要求。

5.7.5.2 闸底板内力计算

（1）计算方法。根据《水闸设计规范》（SL 265—2001），对于开敞式闸室底板的应力分析，岩基上的水闸闸室底板的应力分析可按照基床系数法（文克尔假定）计算。角峪溢洪道闸室符合以上条件，因此，闸底板应力分析采用基床系数法计算。

计算采用中国建筑科学研究院PKPM CAD软件计算，计算过程采用该软件《结构平面计算机辅助设计》PMCAD和《基础工程计算机辅助设计》JCCAD两大模块。采用结构计算模块建模并布置荷载，经荷载传导计算，由基础工程计算机辅助设计模块按照弹性地基筏板基础板元法计算（按广义文克尔假定）。根据基床反力系数推荐值表，对于强风化硬质岩石K=200000～1000000kN/m³，本工程K取200000kN/m³。

（2）计算结果。计算结果见图5.7-1。

底板配筋根据以上弯矩包络图按钢筋混凝土结构计算配筋，经计算，地梁（板带每延米）配筋面积为2000mm²，实配25＠200，闸底板单位长度实配钢筋面积为2454.37mm²。

5.7.5.3 溢流堰稳定计算

溢流堰段取39.0m宽整体计算，溢流堰段稳定计算计算参数选取及计算方法与闸室段相同。计算结果见表5.7-15。

计算成果表明，不同运用工况，溢流段抗滑安全系数和抗浮稳定安全系数均满足规范要求。

5.7.6 主要工程量

溢洪道改建主要工程量汇总见表5.7-16。