病險水庫加固工程中溢洪道設計分析

【摘 要】 對于存在安全隱患的水庫必須采取相應的除險加固措施，以保證水庫的安全穩定運行，保護下游人民財產不受洪水侵害。某水庫溢洪道存在較多安全隱患，在確定了溢洪道工程總布置后，分別從泄流能力計算、陡槽水力計算、消能計算、海漫長度計算、防沖槽深度計算、穩定驗算方面進行病險水庫溢洪道加固設計。

【關鍵詞】 溢洪道；問題；加固設計；工程布置；水力計算

水庫除了為人們提供日常生活、農業灌溉、工業生產用水之外，還在防御洪水災害發揮著不可替代的作用。但由于水庫設計、施工、運行管理中存在的問題，部分水庫達不到國家規定的防洪標準，而且隨著水庫運行時間延長，水庫設施和各種設備不斷老化，有些水庫工程存在較嚴重的質量問題，尤其是溢洪道，損壞嚴重。因此，有必要對病險水庫進行除險加固設計，使水庫發揮其作用，保護人民生命財產安全。

1 工程概況

某水庫是一座以農業灌溉為主，兼顧防洪和養殖等小（Ⅰ）型水庫，該水庫控制流域面積22.54km2，設計標準按20年一遇洪水設計，50年一遇洪水校核。水庫溢洪道位于大壩右端，為開敞式溢洪道，堰寬15.0m，堰頂高程277.00m，最大泄量21.30m3/s。

2 溢洪道存在的問題

溢洪道進口處和控制段已經被損壞，兩側石擋墻砌石出現很大的裂縫和傾斜，消力池及海漫已被洪水沖毀，這樣的質量通病已經影響水庫正常泄洪，危及水庫大壩安全。溢洪道應拆除重建，確證大壩的安全使用。

3 溢洪道工程設計

3.1 溢洪道布置方案比較

根據工程現狀，選定三個樞紐布置方案進行比較。見表1。

方案一：溢洪道布置在大壩樁號0+486處（寬頂堰在原位置），開敞式岸邊溢洪道；

方案二：溢洪道布置在大壩樁號0+486處（寬頂堰在壩軸線上），開敞式岸邊溢洪道；

方案三：溢洪道布置在大壩樁號0+450處。經比較，方案三經濟合理，投資最少，故選方案三。（如表1）

3.2 工程布置及結構形式

開敞式溢洪道布置在大壩樁號0+450處，由進口U型槽、控制段、陡槽、消力池、海漫等組成。

進口鋼筋混凝土U型槽總長17.2m，其中第一段長8.5m，底寬為17.8m，底高程275.55m，底板厚0.50m；第二段長8.7m，底板用1：6反坡與堰頂連接，底寬17.8m～15.8m，底板厚0.50m。控制段鋼筋混凝土U型槽長4.5m，底凈寬為15m，堰頂高程277.00m，底板厚1.0m。堰頂上部設交通橋。陡槽U型槽長8.6m，底坡1：6，底寬15.8m，底高程為277.00～274.85m，底板厚0.70m。陡槽后接消力池。消力池鋼筋混凝土U型槽長8.8m，底寬15.8m，池深0.50m。底板高程274.85m，底板厚0.80m，消力池底板上布置排水孔，以減小壓力，增強底板穩定性。海漫采用干砌石梯形斷面，總長16.90m，底寬15.80m，邊坡1：1.5。護坡護底采用30cm厚干砌石，下設20cm厚礫石墊層和10cm厚粗砂墊層，底高程為275.35～275.32m。

3.3 水力計算

3.3.1 泄流能力計算

式中：Q—泄流量（m3/s）；

H0—包括行進流速在內的堰上總水頭；

ε—側收縮系數；

g—重力加速度，g＝9.81m/s2；

m—流量系數。

式中：n—孔口數目；

b—孔口凈寬；

k—兩側邊墩形狀，取k=0.7；

ε=0.98。

經計算：Qmax設計＝8.93m3/s>7.91m3/s

Qmax校核＝27.3m3/s>21.3m3/s，均滿足泄量要求。

3.3.2 陡槽水力計算

（1）臨界水深hk及臨界坡降ik。

（2）陡槽流速及摻氣水深。

摻氣高度hB=vh/100，h為不考慮摻氣時的水深，水面線計算詳見表2。

3.3.3 消能計算

⑴判別出口水面銜接形式。先按陡槽與下游尾水渠直接連接的情況計算，下游尾水渠底寬b=15.8m，m=1.5，n=0.033，i=1/500。

經計算：下游渠道首端水深ht=0.63m。

⑵判斷是否需要修建消力池。

式中：hc—收縮水深（m）；

—水流動能校正系數，取1.05；

T0—由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；

q—過閘單寬流量（m3/s/m）。

試算求得hc=0.18m。

式中：hc″—躍后水深（m）；

b1—消力池首端寬度（m）；

b2—消力池末端寬度（m）。

計算求得hc″=1.55m，hc″>ht=0.63m，將發生遠趨勢水躍，需修建消力池。

（3）池深計算。

式中：d—消力池深度（m）；

σ0—水躍淹沒系數；

△Z—出池落差（m）；

hs—出池河床水深；

經試算：d=0.5m，σ0＝1.07。

（4）消力池水平段池長計算。

L水平=βLj

Lj=6.9（hc″－hc）

式中：Lsj—消力池長度（m）；

L水平—消力池水平段長度（m）；

β—水躍長度校正系數，取0.8；

Lj—水躍長度（m）。

經計算：L水平=7.50m，d=0.5m，假定的消力池池深是合適的。

3.3.4 海漫長度計算

式中：L—海漫長度（m）

K—海漫長度校正系數；

△H—上下游水頭差；

q—海漫出口處單寬流量。

計算得L=9.56m，取L=10m。

3.3.5 防沖槽深度計算

根據《水閘設計規范》（SL265-2001），海漫末端溝槽沖刷深度可按下式計算：

式中：dm—海漫末端溝槽沖刷深度（m）；

qm—海漫末端單寬流量（m3/s/m）；

hm—海漫末端水深（m）；

[v0]—溝槽土質允許不沖流速，取0.85（m/s）。

經計算dm=1.75m，采用防沖槽深度為dm=1.5m，采用底寬1.5m，上游坡為1：2，下游坡為1：2。

3.3.6穩定驗算

（1）土基上沿堰基底面的抗滑穩定安全系數計算公式如下：

式中：Kc—沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；

f—閘室基底面與地基之間的摩擦系數，取0.40；

ΣH—作用在閘室上的水平力之和（KN）；

ΣG—作用于閘室上的全部垂直荷載。

（2） 基底應力計算公式：

式中：Pmax、Pmin—最大、最小應力，KPa；

ΣG—作用于閘室上的全部垂直荷載；

ΣM—作用于閘室基底面的全部荷載對基底面垂直水流流向形成的力矩；

A—閘室基底面面積，m2；

W—閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。

堰體穩定計算按設計水位情況，計算成果見表3。

由地質報告可知，閘基礎為低液限粘土，地基承載力為160kpa 左右。根據水閘設計規范（SL265-2001）規定：特殊組合基底允許應力比為2.5，本次計算的抗滑穩定系數為3，應力比為1.33，抗滑穩定系數及基底應力均滿足要求。

4 結束語

在病險水庫加固設計中，溢洪道工程是整個樞紐工程的關鍵和重點，它與大壩加固方案相互影響，相互制約，不僅影響工程的加固效果與加固投資，還直接關系水庫泄洪對下游沿河及庫區的淹沒影響，應多方案綜合分析比較后確定最佳方案。

參考文獻

[1] 許春波；程玉珍.九里水庫溢洪道除險加固工程設計[J].黑龍江水利科技，2011年06期.

[2] 李楊.東溝水庫除險加固工程溢洪道設計[J].中國科技信息，2012年08期.