水庫壩頂高程計算示例剖析

張之成，蘇長剛

(牡丹江市水務科學研究院，黑龍江牡丹江 157000)

水庫壩頂高程計算示例剖析

張之成，蘇長剛

(牡丹江市水務科學研究院，黑龍江牡丹江 157000)

介紹了水庫土壩壩頂高程確定的分析及計算方法。闡述示例工程概況，利用莆田實驗站公式來計算波浪的平均波高和平均波周期和風壅水面高度。

工程概況;波浪爬高;風壅水面高度;安全加高

1 工程概況

本文以黑龍江省林口縣東風水庫為實例，對水庫土壩壩頂高程計算進行分析。水庫控制流域面積107 km2，總庫容180萬m3，是一座以灌溉、防洪為主，兼顧養魚、旅游等綜合利用的小(1)型水庫。

該工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級，洪水標準采用10 a一遇洪水設計，50 a一遇洪水校核。其設計洪水位為98.66 m，相應庫容為64萬m3。校核洪水位為100.65 m，相應庫容為130.9萬m3。

2 壩頂高程確定

2.1 設計基本資料

2.1.1 風速資料

風速采用林口縣氣象站實測資料，汛期內不利風向常出現為與壩軸線法線方向成21.7°的東北(EN)風和成0.8°的東北東(ENE)風。汛期多年平均最大風速見表1。

表1 水庫汛期陸地最大設計風速一覽表

2.1.2 庫面風速計算

氣象站隱蔽情況的影響系數k1=1.6，氣象站所在地的地形高低的影響系數k2=1.0。設計情況采用多年平均最大風速的1.5倍，校核情況采用多年平均最大風速。

庫面風速計算主要參數指標為：

V10為距地面10 m高處的風速，m/s;K=0.9為風速儀距地面的換算系數;Vh為陸地設計最大風速，m/s;V設計=1.5Vk;Vk為多年平均最大設計風速，m/s;K1=1.6為氣象臺隱蔽情況系數;K2=1.0為氣象臺所在地形變化影響因素。

用K1×K2=1.6和VO查“水工設計手冊”第四冊，求得水面設計風速。風速計算成果見表2。

2.1.3 水面吹程

東風水庫水面較規整，從比例為1/1000地形圖上量得，10 a一遇設計洪水情況下EN向風區長度為837 m，ENE向風區長度為518 m。50 a一遇較核洪水情況下EN向風區長度為928 m，ENE向風區長度為529 m。

表2 東風水庫風速計算成果表 m/s

2.1.4 地震烈度

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2001)，工作區地震動峰值加速度＜0.05 g，地震基本烈度值＜Ⅵ度?？刹贿M行抗震計算。

2.2 壩頂超高計算

2.2.1 風浪要素計算

波浪平均波高及平均周期根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)附錄中莆田實驗站公式來計算波浪的平均波高和平均波周期：

式中：hm為平均波高，m;Tm為平均波周期，s;W為計算風速，m/s，設計情況采用多年平均最大風速1.5倍，校核情況采用多年平均最大風速;D為風區長度，m;Hm為水域平均水深，m;g為重力加速度，取9.81 m/s2。

平均波長計算公式為：

對于深水波，即當Hm≥0.5 Lm公式可簡化為：

式中：Lm為平均波長，m;H為壩迎水面前水深，m。本次采用為深水波公式計算平均波長。

2.2.2 波浪爬高計算

正向來波的平均波浪爬高計算公式為：

式中：Rm為平均波浪爬高，m;KΔ為斜坡的糙率滲透系數，按《碾壓式土石壩設計規范》附表A.1.12-1確定，砌石護坡KΔ=0.77;KW為經驗系數，按《碾壓式土石壩設計規范》附表A.1.12-2確定;m為單坡的坡度系數，取m=2.5。

按上式計算得平均波浪爬升高度后，按照該工程建筑物級別為4級，依據《碾壓式土石壩設計規范》SL274-2001中A.1.11規定，選取其波列累積概率為5%的爬高值R5%。無論設計還是校核情況hm/H＜0.1，所以R5%=1.84Rm。

2.2.3 風壅水面高度計算

式中：e為計算點處的風壅水面高度，m;D為風區長度，m;K為綜合摩阻系數，取3.6×10-6;β為計算風向與壩軸線法線的夾角，°。

2.3 壩頂高程確定

壩頂高程=庫區靜水位+Y(壩頂超高)

式中：Y為壩頂起高，m;R為最大波浪在壩坡上的設計波浪爬高，m;e為最大風壅水面高度，m;A為安全加高，m。

設計情況：A=0.5 m，校核A=0.3 m。

按設計和校核分別進行東風水庫壩頂超高計算。詳見表 3、表 4。

3 結語

設計洪水確定壩頂高程=98.66+1.25=99.91 m;

校核洪水確定壩頂高程=100.65+0.85=101.50 m;當設計洪水與校核洪水兩種情況分別計算出壩頂高程后，取其大值做為土壩頂高程，即101.50 m。

［1］陳明致，顧滏臣.土壩設計：上冊［M］.北京：水利電力出版社，1978.

［2］牡丹江市水利勘測設計研究院.牡丹江市林口縣東風水庫安全影響評價報告［R］.牡丹江：牡丹江市水利勘測設計研究院，2010：91-95.

TV131

B

1007-7596(2011)06-0074-02

2011-08-25

張之成(1968-)，男，黑龍江湯原人，工程師;蘇長剛(1981-)，男，黑龍江牡丹江人，工程師。

表3 東風水庫設計情況下超高計算表(p=10%)

表4 東風水庫校核情況下超高計算表(p=2%)