蓮河水庫溢洪道除險加固工程設計概述

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(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080)

蓮河水庫溢洪道除險加固工程設計概述

常俊德，田振華，劉發智

(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080)

蓮河水庫位于尚志市河東鄉蓮河村螞蟻河中上游小支流河上，是以農業灌溉為主兼顧防洪養魚的小型(1)水庫，溢洪道主要由進口段、溢流段、消能段、海漫段等組成。文章闡述了溢洪道設計方面的幾個問題。

溢洪道；過流能力；消能計算；滲流計算

1 工程概況

1.1 工程現狀

蓮河水庫壩址地理坐標為E128°07′，N45°17′，壩址以上控制集雨面積12.1 km2，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養魚等綜合利用的小(1)型水利樞紐。水庫設計總庫容188×104m3，興利庫容104×104m3。水庫防洪保護下游農田166.67 hm2、蓮河村等4個村屯共900人的生命財產安全。

水庫設計正常蓄水位199.00 m，相應庫容104×104m3；設計洪水標準為20 a一遇，相應設計洪水位200.06 m；校核洪水標準為200 a一遇，相應校核洪水位200.77 m，死水位195.30 m，相應庫容10 萬 m3。

蓮河水庫樞紐工程由土壩、溢洪道、輸水洞等建筑物組成。樞紐工程等級為Ⅳ等，主要建筑物的級別為4級。

1.2 存在的主要問題

溢洪道為漿砌石結構，表面剝蝕，出口與土壩接觸處有漏水嚴重，消力池全部沖毀，下游海漫全部破壞。閘門及啟閉機已損壞無法使用，臨時采用編織袋裝土封堵，已威脅水庫的正常運行[1]。

1.3 工程設計內容

土壩維修加固，在原基礎上加高培厚，整形護坡，修建壩頂路面。新建輸水洞和建溢洪道。

2 溢洪道加固設計

2.1 設計標準

主體工程由土壩、溢洪道和輸水洞3部分組成。水庫設計標準按10 a一遇洪水設計，50 a一遇洪水校核。工程等別為Ⅳ等，灌溉設計保證率為75%。

2.2 工程布置

現狀溢洪道位于土壩左端，樁號為0+036.4，底高程約為199.00 m，凈寬約為15 m，無消能設施，無護砌。本次設計綜合地形、泄洪等因素，并考慮業主建議，將溢洪道仍然建在0+036.4位置處，軸線與壩軸線正交，與下游泄洪渠銜接。

本工程溢洪道為開敞式無閘控制，凈寬10 m，堰頂高程為興利水位199.00 m。溢洪道軸線與壩軸線垂直，由進口段、溢流段、消能段、海漫段等部分組成，軸線長度為49.10 m，10 a一遇溢洪道最大泄量為13.26 m3/s，50 a一遇的最大泄量為28.47 m3/s。 進口段長5 m，鋼筋混凝土U型結構，底高程為興利水位199.00 m，邊墻坡度為1∶3.0。溢流段長4.5 m，溢流凈寬為10 m，堰型為開敞式，無閘控制，堰頂高程為興利水位199.00 m，堰上設交通橋，橋面凈寬度與壩頂同寬為4 m，橋面中心標高為201.61；橋總長為11 m，該橋上部采用現澆板。陡坡段坡比為1∶3.0，底高程由199.00 m降至195.80 m，底寬為10 m，底板厚80 cm，采用U型鋼筋混凝土結構。消力池長10 m，池深1.0 m，寬度10 m，底板厚0.8 m，底板高程為195.80 m，采用U型鋼筋混凝土結構，墻頂高程為198.30 m。海漫段總長20.0 m，渠底進口高程為196.80 m，岸頂高程為198.30 m，梯形斷面，底寬為10 m，邊坡1∶2，采用干砌石護砌，干砌石厚30 cm，下鋪20 cm碎石墊層及一層無紡布；海漫后設防沖槽，槽底寬1.4 m，槽深1.0 m，邊坡坡比均為1∶1，干砌石護砌。

2.3 過流能力復核

本次設計初步擬定溢洪道凈寬為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m共7個方案進行比較，起調水位為199 m，通過經濟方案比選，選擇溢洪道凈寬為10 m，堰頂高程199 m方案。水庫設計水位為199.89 m，校核水位200.48 m，溢洪道類型為開敞式寬頂堰，消力池長10 m，池深1.0 m，板厚0.8 m，池長10 m，海漫長20 m。根據規范要求，自由出流的開敞式寬頂堰溢洪道可按下式計算：

(1)

式中：Q為設計流量，m3/s；m為流量系數；本工程為無坎寬頂堰，取m=0.385；ε為側收縮系數，本工程為無坎寬頂堰，取ε=1.0；B為過流凈寬，m；B=10.0 m；H0為計入行近流速水頭的堰上水頭，本工程近似取H0等于堰上水頭；g為重力加速度，m/s2。

過流能力復核計算成果見表1。

表1 溢洪道過流量計算表

得出溢洪道過流量滿足設計過流要求。

2.4 泄槽水力計算

1)泄槽段臨界水深(hk)和臨界底坡(ik)計算

泄槽段臨界水深(hk)和臨界底坡(ik)按以下公式進行計算：

(2)

(3)

(4)

式中：q為泄槽單寬流量，m3/s·m；α為動能修正系數，取1.05；g為重力加速度，m/s2；B為泄槽寬度，m；n為糙率系數，本工程取0.012；ik為臨界底坡，m；hk為臨界水深，m；Ak為臨界水深斷面面積，m；Rk為臨界水深斷面水力半徑，m；Ck為謝才系數。

根據以上公式計算臨界水深(hk)和臨界底坡(ik)，計算結果見表2。

表2 臨界水深和臨界底坡計算成果表

經計算泄槽設計底坡大于臨界底坡。

2)起始水深h1計算

根據《溢洪道設計規范》(SL253—2000)A.3相關說明，泄槽上游接寬頂堰，起始計算斷面定在泄槽首部，水深h1取用泄槽首部斷面計算的臨界水深hk。

3)泄槽水面線計算

泄槽水面線應根據能量方程，用分段求和法計算，計算公式為：

(5)

(6)

(7)

(8)

2.5 消能計算

2.5.1 消力池計算

1)消力池深度計算

(9)

(10)

(11)

(12)

表3 泄槽段水面線計算成果表

2)消力池長度計算

(13)

式中：L為消力池長度，m；Lj為水躍長度，m。

3)消力池底板厚度計算

根據抗沖要求，消力池底板始端厚度可按下式計算：

(14)

式中：t為消力池底板厚度，m；△H為泄水時的上、下游水位差，m；k1為消力池底板計算系數，可采用0.15～0.20。

2.5.2 海漫長度計算

(15)

式中：Lp為海漫長度，m；△H為上下游水頭差，m；q為消力池出口單寬流量，m3·(s·m)-1；Ks為海漫長度計算系數，可查表，本工程取Ks=8。

2.5.3 計算結果

計算結果見表4。

表4 溢洪道底流消能計算成果表

根據計算結果本次設計采用消力池長10 m，池深1.0 m，板厚0.8 m，海漫長20 m。

2.6 滲流分析

計算公式采用《水閘設計規范》SL265—2001改進阻力系數法計算：

2.6.1 確定地基有效深度Te

(16)

(17)

(18)

式中：L0，S0分別為地下輪廓線不透水部分的水平投影長度和垂直投影長度，m。

2.6.2 滲透壓力計算

阻力系數計算：ξ

設計情況下，工程底板滲流出口處平均坡降和水平段平均滲透坡降計算值均滿足規范要求。

3 結 語

蓮河水庫工程建成后，灌溉水田達166.67 hm2，可保護下游400 hm2耕地、村屯4個和人口900人，并對尚延公路具有防洪保護作用。從根本上解除水患，提高水庫下游防洪安全，促進當地農業發展。

[1]組萬軍，齊淑珍，張亞力.山河水庫溢洪道除險加固工程設計[J].黑龍江水利科技，2009,37(05)：65-66.

1007-7596(2014)12-0157-03

2014-04-12

重點實驗室項目黑龍江省季節凍土區工程凍土重點實驗室項目課題研究(PS13H19)

?？〉?1982-)，男，吉林梅沙口人，工程師；田振華(1983-)，男，山東泰安人，工程師；劉發智(1987-)，男，山東濟南人，助理工程師。

TV651.1

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