堆石體折線型實用低堰穩定復核計算

2012-12-06 08:30:36王小玲周自力陶雪輝

湖南水利水電 2012年1期

王小玲周自力陶雪輝歐健

（湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市 410007）

堆石體折線型實用低堰在山區和丘陵區引水工程中應用廣泛，多為修建年代久遠，土法上馬，無設計資料，加之對這類堰無完整的設計規范，給安全評價工作帶來較大困難。通過某水閘的安全鑒定工作實踐，收集和分析國內外有關資料和文獻，較完整地整理出一套堆石體折線型實用低堰穩定復核計算方法，供同類型工程設計和安全復核工作參考。

該閘控制集雨面積1 192 km2。經復核設計洪水下泄流量為3 000 m3/s，校核下泄流量為3 940 m3/s，目前實際引水灌溉面積為1 478 hm2（22 170畝），是一座以灌溉為主的大（Ⅱ）型水閘工程。

1 堆石體折線型實用低堰穩定計算

某水閘溢流堰軸線長625 m，其中堆石體折線型實用低堰長416 m，最大堰高3 m，堰頂寬（2～3.5）m，堰底寬（9～11）m，堆石體折線型實用低堰為木樁堆石堰，河床表部分布有（6～8.5）m厚的砂卵礫石層，筑堰前對河砂卵礫石層未作任何清除，僅打入木樁堆石而成。由于修建年代已久，木樁完全腐朽，對穩定堰體不再起作用，故在穩定復核計算時不考慮木樁作用。

根據該水閘堆石體折線型實用低堰的基礎和堰體的實際情況，對國內外有關資料進行分析，堰體安全復核應對其堰頂和下游坡石塊進行穩定復核，復核計算理論及公式采用D.斯蒂芬森的堆石水力穩定理論及公式較為符合實際情況。

1.1 堰頂塊石穩定復核[1]

堰頂沖刷流速：

式中d——石塊代表尺寸；

S——石塊的相對密度；

θ──堰頂與水平線的夾角；

tanφ──堆石間的摩擦系數；

v——沖刷流速；

g——重力加速度。

本工程堰頂為水平，且φ約35°，則得出允許的堰頂流速為：

式中V2——堰頂允許流速；

d——石塊代表尺寸，本工程d取0.2 m；

s——本工程石塊為卵石，s取2.7；

設計工況：

設計泄量Q=3 000 m3/s，堆石溢流堰單寬流量q=4.81 m3/s-m，上游水位y1=175.645 m，堰頂高程h=172.5 m。

堰頂水深：

V＞V2，不滿足石塊穩定要求。

校核工況：

校核泄量Q=3 940 m3/s，堆石溢流堰單寬流量q=6.21 m3/s-m，上游水位176.467 m。

V＞V2，不滿足石塊穩定要求。

1.2 堆石堰頂長度復核[1]

自由溢流最大流量約為600 m3/s，此時堆石溢流堰單寬流量q=1.03 m3/s-m。

保證穩定所需最小長度：Lmin=3yc=1.43 m

堰頂實際長度L=3 m

L＞Lmin，堆石堰頂長度滿足穩定要求。

1.3 堆石體下游坡角穩定復核[1]

本工程 φ 約 35°（取 35°），則

最大自由泄量為600 m3/s，此時堆石體單寬流量q=1.03 m3/s-m。

當q=0.5 m3/s-m時，由于q較小，采用圖解法驗算：

查圖（φ=35°），得 θ=7.86°

下游現狀坡角θ1為：

θ＜θ1，故現狀坡角不能滿足下游坡穩定要求。

2 溢流堰消能防沖穩定復核計算

堆石溢流堰長416 m，堰頂高程172.5 m，堰頂長度3 m，斜坡段7.5 m，下游河床高程170.5 m，河床為砂卵礫石，不沖刷流速為0.57 m/s，因歷史原因下游未設任何消能防沖設施（消力池及護坦）。

本次消能防沖設計洪水標準為50年一遇，泄量為3 380 m3/s。

2.1 底流消能工計算[2]

計算公式：

（1）消力池躍后水深計算公式。

式中 hc──收縮斷面水深；

其中b——消力池寬度；

φ′——水流自消力池出流的流速系數，φ′=0.95；

ht——下游水深。

（3）消力池長度計算。

Lk=0.8 Lj

式中Lk——消力池長度；

Lj──為水躍長度。

當 1.7＜Fr1≤9.0 時： Lj/hc=9.5（Frc-1）

當 9.0＜Fr1＜16 時： Lj/hc=8.45（Frc-9）+76

（4）計算結果與結論。

該樞紐為低水頭閘壩工程，大流量洪水情況下，上下游落差極小，接近天然流態，經計算僅在Q=100 m3/s以下，需要修底流消力池（計算池深為0.27 m），因此該工程應設置底流消力池。

2.2 沖坑復核計算

下游河床為沙卵礫石，河床不沖流速[V0]為0.57，河床沖刷深度按《水閘設計規范》（SL 265-2001）有——收縮斷面弗汝德數；

q——收縮斷面處單寬流量

（2）消力池深 s。

式中 σ——安全系數，取σ=1.05

△Z——消力池出口水面落差關公式計算，公式為：

式中dm——沖刷深度（m）；

qm——單寬流量（m3/s-m）；

[V0]——河床允許不沖流速（m）；

hm——河床水深（m）。

計算結果見附表。

附表折線型實用堰下游沖坑計算結果

經計算河床泄量大于800 m3/s后，河床流速大于允許不沖流速，單寬流量q＞1.3 m3/s-m后河床沖刷坑形成，在50年一遇洪水（Q=3 380 m3/s）作用下，沖坑深度dm將達到4.97 m左右。

目前每年形成沖坑，深度一般在3 m左右，隨著當年最大泄量不同而不同，形成沖坑后，在水流反淘作用下，沖坑向壩址方向迅速發展，一場洪水就可將壩基下游部分掏空，引起垮壩，1986年垮壩70余米，2000年垮壩 80余米，2001年垮壩 160余米，2006年垮壩90余米，2007年垮壩60余米，2008年垮壩70余米，垮壩頻率越來越高，大壩已不能正常運行，應修建必要的消能設施和護坦工程。

由于篇幅有限，本文略去堰體及基礎滲流穩定計算及評價部分。

3 結語

（1）對于水流中堆石體穩定計算，在國內外有多種研究成果，其研究的成果是不一致的，普遍適用性不強，將計算結果與該水閘堰體實際破壞情況比較，D.斯蒂芬森理論及公式較適合于該水閘這種在泄洪時堆石體完全處在流水中的堆石體折線型實用低堰的穩定復核計算。可用之對堆石體折線型實用低堰進行堰頂塊石、堰頂長度、堆石體下游坡腳穩定復核和安全評價分析。

（2）在溢流堰消能防沖穩定復核計算中，底流消能工計算復核中應對多級泄流逐級計算求得控制流量，大泄量時下游水深，往往不是控制工況，其控制工況出現在自由出流的小泄量情況下。

（3）進行消能工復核計算后，應對下游河床進行沖坑復核計算，特別是下游河床為砂卵礫石抗沖流速低的情況，因為底流消能工控制工況一般是小泄量自由出流工況，而下游沖坑控制工況則是大泄量淹沒出流工況。