九里水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

許春波，程玉珍

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

九里水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

許春波，程玉珍

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

九里水庫(kù)位于黑龍江省尚志市一面坡鎮(zhèn)九里村北，位于萬(wàn)山鄉(xiāng)水庫(kù)屯西北0.2 km處，是以農(nóng)業(yè)灌溉為主、兼顧防洪、養(yǎng)魚(yú)的小(1)型水庫(kù)。溢洪道主要由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池段及海漫段等部分組成。文章闡述了利用原臨時(shí)溢洪道位置進(jìn)行重建溢洪道的加固方案。

溢洪道;控制段;穩(wěn)定;滲流;消能

九里水庫(kù)位于黑龍江省尚志市一面坡鎮(zhèn)九里村北，位于萬(wàn)山鄉(xiāng)水庫(kù)屯西北0.2 km處，螞蟻河右岸一級(jí)支流上，距尚志市區(qū)37 km，行政上隸屬尚志市直接管轄。水庫(kù)壩址以上流域面積為16.4 km2，壩址地理坐標(biāo)為 E128°10'，N45°07'。

1 工程現(xiàn)狀

水庫(kù)于1958年開(kāi)始興建，是以農(nóng)業(yè)灌溉為主、兼顧防洪、養(yǎng)魚(yú)的小(1)型水庫(kù)。水庫(kù)灌溉水田面積133.3 hm2，對(duì)下游的水庫(kù)屯、水田屯及一面坡鎮(zhèn)至葦河鎮(zhèn)的公路起到一定的防洪作用。由于水庫(kù)設(shè)計(jì)資料丟失，原設(shè)計(jì)的特征水位均無(wú)法考證。水庫(kù)現(xiàn)狀死水位95.00 m，死庫(kù)容2.67萬(wàn)m3，正常蓄水位97.50 m，相應(yīng)庫(kù)容49.0萬(wàn)m3。

本次設(shè)計(jì)采用10 a一遇洪水設(shè)計(jì)，50 a一遇洪水校核。設(shè)計(jì)洪水位為98.67 m，相應(yīng)庫(kù)容為92.20萬(wàn)m3，相應(yīng)泄量為18.90 m3/s;校核洪水位為99.40 m，相應(yīng)庫(kù)容為127.88萬(wàn) m3，相應(yīng)泄量為39.33 m3/s。

九里水庫(kù)為Ⅳ等工程，主要建筑物為4級(jí)，主體工程由土壩、溢洪道和輸水洞3部分組成。

溢洪道現(xiàn)狀為臨時(shí)性的，用柳樹(shù)條堆砌的一簡(jiǎn)易過(guò)流斷面。

2 工程布置

2.1 溢洪道加固方案

本次設(shè)計(jì)利用原臨時(shí)溢洪道的位置進(jìn)行重建。

2.2 溢洪道規(guī)模方案比較

由于本工程屬于小(1)型水庫(kù)，在工程管理方面相對(duì)薄弱，并且水庫(kù)集水面積小、匯流時(shí)間短、洪水來(lái)得急，從安全調(diào)度和防洪安全、啟閉設(shè)備易丟失和損壞、沒(méi)有自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)配合調(diào)度，沒(méi)有提前預(yù)泄能力，安全難以保證。因此，溢洪道本次設(shè)計(jì)采用無(wú)閘控制。

根據(jù)九里水庫(kù)興利規(guī)模，初擬4個(gè)方案進(jìn)行比較，堰型為寬頂堰，堰頂高程97.50 m，堰寬6.0 m、10.0 m、15.0 m，20.0 m進(jìn)行溢洪道規(guī)模比較，調(diào)洪成果見(jiàn)表1。按各方案水位及泄量分別計(jì)算溢洪道及土壩加固的工程量及造價(jià)，見(jiàn)表2。

表1 九里水庫(kù)溢洪道調(diào)洪成果表

表2 不同溢洪道方案比較表

從表2中可以看出，方案2：當(dāng)堰寬10.0 m時(shí)，溢洪道及土壩造價(jià)最低，采用堰寬10.0 m寬頂堰方案。所以本次設(shè)計(jì)把溢洪道新建在原溢洪道中心線，樁號(hào)0+568處，堰寬10 m無(wú)閘控制寬頂堰方案做為選定方案。

2.3 溢洪道工程布置

溢洪道位于土壩右岸，樁號(hào)為0+568處。采用無(wú)閘開(kāi)敞式溢洪道。溢洪道為1孔，孔凈寬10.0 m，堰型為寬頂堰，堰頂高程97.50 m，主要由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池段及海漫段等部分組成。

2.3.1 進(jìn)口段

由進(jìn)口護(hù)砌段和進(jìn)口鋼筋混凝土“U”槽段組成。進(jìn)口段全長(zhǎng)12.46 m，進(jìn)口高程96.50 m，出口高程97.50 m。

2.3.2 進(jìn)口護(hù)砌段

進(jìn)口兩側(cè)采用懸臂式擋土墻。單側(cè)圓弧墻長(zhǎng)7.70 m，半徑為4.90 m，圓心角為90°，進(jìn)口底板長(zhǎng)4.46 m，護(hù)砌型式為干砌塊石厚30 cm;下設(shè)砂卵石墊層15 cm及無(wú)紡布一層。

2.3.3 進(jìn)口鋼筋混凝土“U”槽段

該段與閘室段連接，長(zhǎng)8 m，底寬10 m，底板厚1.2 m。

2.3.4 控制段

采用鋼筋混凝土“U”型槽結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)6.0 m，1孔，孔凈寬10 m，底板厚1.5 m，寬頂堰結(jié)構(gòu)，堰頂高程97.50 m，邊墩頂寬1.0 m，墩頂高程100.20 m，為無(wú)閘控制，交通橋?qū)?.0 m。控制段兩側(cè)刺墻長(zhǎng)5.0 m，頂寬0.4 m，底寬0.8 m。

2.3.5 泄槽段

采用鋼筋混凝土“U”型槽結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)16.20 m，分2節(jié)，第1節(jié)長(zhǎng)8.0 m，第2節(jié)長(zhǎng)8.20 m，底寬10 m，泄槽段底板縱坡坡比為1∶3，底板厚1.2 m。

2.3.6 消力池段

采用鋼筋混凝土“U”型槽結(jié)構(gòu)，消力池挖深1.2 m，底寬10 m，池長(zhǎng)14.5 m，底板頂高程92.10 m，厚1.2 m，出口兩側(cè)接懸臂式擋土墻，單側(cè)墻長(zhǎng)4.92 m。

2.3.7 海漫段

分兩段，全長(zhǎng)30.0 m，直線段長(zhǎng)為2.76 m，圓弧段長(zhǎng)27.24 m，轉(zhuǎn)彎半徑為30.0 m，海漫段底寬為10.0 m，渠底高程為93.30 m。海漫段護(hù)砌采用厚30 cm干砌塊石護(hù)砌，下設(shè)15 cm砂卵石墊層及無(wú)紡布一層。邊坡1∶2.0。海漫段后接出水渠。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 水力計(jì)算

3.1.1 泄流能力計(jì)算

采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253-2000)中寬頂堰泄流能力計(jì)算公式：

式中：Q為流量，m3/s;B為溢流堰總凈寬，m;H0為堰上水頭，m;m為流量系數(shù);ε為收縮影響系數(shù)。計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 溢流堰過(guò)流能力計(jì)算成果表

3.1.2 陡坡段水面線計(jì)算

陡坡段水面線根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算泄槽水面線，計(jì)算公式為：

式中：Δl1-2為分段長(zhǎng)度，m;h1為泄槽起始斷面水深，m;h2為泄槽末端斷面水深，m，經(jīng)試算得;a1、a2分別為流速分布不均勻系數(shù)，取1.05;i為泄槽底坡，i=1/3;θ為泄槽底坡角度，θ=18.43°;為泄槽平均摩阻坡降;n為泄槽槽身糟率系數(shù)，n=0.012;為槽內(nèi)平均流速=(v1+v2)/2，m/s;為泄槽內(nèi)平均水力半徑=(R1+R2)/2，m。

對(duì)于矩形斷面泄槽的臨界水深計(jì)算公式為：

式中：q為泄槽的單寬流量，m3/s·m;α為動(dòng)能修正系數(shù)，可近似地取為1.05;g為重力加速度，取9.8 m/s2。

泄槽上接寬頂堰，水深h1選用泄槽首端斷面計(jì)算的臨界水深hk，設(shè)計(jì)和校核情況下臨界水深分別為0.714 m和1.164 m。溢洪道水面線計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 水面線計(jì)算成果表 m

3.1.3 消能計(jì)算

根據(jù)九里水庫(kù)的地形及地質(zhì)條件，適宜做底流消能，確定消能方式采用底流消能。

3.1.3.1 消力池深度計(jì)算

1)收縮水深計(jì)算公式為：

式中：hc為收縮水深，m;T0為總勢(shì)能，m;q為過(guò)閘單寬流量，m3/s/m;σ為水流動(dòng)能校正系數(shù)，取1.0值;φ為流速系數(shù)，取0.95值。

2)躍后水深計(jì)算公式為：

3)出池落差計(jì)算公式為：

式中：ΔE為出池落差，m;為出池河床水深，m。

4)消力池深度計(jì)算公式為：

式中：σ0為水躍淹沒(méi)系數(shù)，可采用1.05～1.10。

3.1.3.2 消力池長(zhǎng)度計(jì)算

1)水躍長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

式中：Lj為水躍長(zhǎng)度，m。

2)消力池長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

式中：Lsj為消力池長(zhǎng)度，m;Ls為消力池斜坡段投影長(zhǎng)度，m;β為水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8。

3.1.3.3 海漫長(zhǎng)度計(jì)算

計(jì)算公式為：

式中：Lp為海漫長(zhǎng)度，m;q'為消力池末端單寬流量，m3/s/m;ks為海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)。經(jīng)計(jì)算消力池池深、池長(zhǎng)由校核情況控制，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 溢洪道消能計(jì)算成果表

3.2 穩(wěn)定驗(yàn)算

溢洪道的主要結(jié)構(gòu)計(jì)算包括閘室段及擋土墻的穩(wěn)定計(jì)算及應(yīng)力分析。

3.2.1 閘室穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷強(qiáng)度公式，計(jì)算公式為：

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載(包括閘室基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力在內(nèi))，kN;∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN;［Kc］—閘室沿基礎(chǔ)底面的容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f為閘基底面與巖基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，f=0.30。

3.2.2 閘室段地基應(yīng)力分析

計(jì)算公式為：

式中：B為閘室段長(zhǎng)，m;e為偏心距，m;σmax、σmin為最大最小應(yīng)力，kPa;∑G為作用于堰體上的全部豎向荷載，kN;∑M為作用于堰體上的全部豎向荷載和水平荷載對(duì)地基面垂直水流方向的形心力矩，kN·m;η為不均勻系數(shù)。閘室及擋土墻穩(wěn)定分析成果見(jiàn)表6。

表6 溢洪道穩(wěn)定計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算，基底垂直正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，正應(yīng)力值均在本次地質(zhì)報(bào)告中給出的基礎(chǔ)低液限黏土的承載力閘室段［σ］=120 kPa，出口擋土墻段［σ］=160 kPa，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.3 滲流分析

溢洪道上、下游水位差H設(shè)為3.35 m、H校為3.52 m，基礎(chǔ)為黏土。滲徑系數(shù)C=3～4，取C=4。

為滿足滲流穩(wěn)定要求，防滲長(zhǎng)度必須滿足以下公式：

式中：L為防滲長(zhǎng)度，m;C為滲徑系數(shù)，取4;ΔH為上下游水頭差，m。經(jīng)計(jì)算滲徑長(zhǎng)度L=3.52×4=14.08 m。本次設(shè)計(jì)溢洪道的防滲長(zhǎng)度為64.66 m大于滲徑長(zhǎng)度，滲流穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)除險(xiǎn)加固后，可以從根本上解除水患，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，增強(qiáng)抗御水旱災(zāi)害的能力，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增加農(nóng)民收入，保護(hù)和改善了水庫(kù)下游防洪安全，為促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展、提高種植業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，加快區(qū)域地方政治、經(jīng)濟(jì)、文化等發(fā)展起到積極的作用。

［1］中華人民共和國(guó)水利部.GB50201-94防洪標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1994.

［2］江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司.SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

［3］水利部天津水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL253-2000溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

［4］江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL265-2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

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1007-7596(2011)06-0085-03

2011-05-05

許春波(1977-)，女，黑龍江雙鴨山人，工程師;程玉珍(1966-)，女，黑龍江蘭西人，高級(jí)工程師。