柴河水庫溢洪道尾渠防護工程優化設計

宋廣成

(遼寧省柴河水庫管理局，遼寧鐵嶺112000)

柴河水庫是一座以防洪、灌溉、工業和城市供水為主，兼顧發電、養魚綜合利用的大型水利樞紐工程。水庫為大Ⅱ型水庫，總庫容6.23 億m3，防洪庫容1.34 億m3，興利庫容3.357 億m3。溢洪道位于庫區左岸，距壩址約1 km，距下游匯入主河道處約2.5 km。由進口引水渠、堰體控制段、陡槽段、出口明渠段四部分組成，最大泄量2 756 m3/s。柴河水庫溢洪道尾渠原設計采用天然河道過流，陡槽段以下為天然沖溝，沒有修建工程，利用山谷天然河道作為出口明渠，排水入柴河干流。尾渠兩岸新建魚塘6處，下游2+050 ～1+900 樁號附近河道已被回填。本段溢洪道尾渠已喪失宣泄洪水的功能。因此，需對溢洪道尾渠進行防護。

1 洪水調節計算

1.1 水庫設計洪水

設計入庫洪水按1953 年典型和1995 年典型兩種情況考慮。

1.2 水庫水位～庫容曲線及泄洪洞、溢洪道水位～泄量曲線

柴河流域森林植被較好，水土流失不嚴重，屬多水少沙地區，柴河水庫自建庫以來泥沙淤積很少，水位～庫容曲線變化不大，故水庫水位～庫容曲線及現有泄流設備的水位～泄量曲線均采用2006 年除險加固成果。詳見表1、表2、表3。

表1 柴河水庫水位～庫容關系表

表2 柴河水庫泄洪洞水位～泄量關系表

表3 柴河水庫溢洪道水位～泄量關系表

1.3 洪水調度

柴河水庫于2006 年進行除險加固，確定的調度運用方式如下:

1)水庫防洪限制水位104.0 m，庫水位在104.0～111.8 m時，輸水洞溢洪道同時閉閘錯鋒。

2)庫水位在111.8 ～112.0 m時，輸水洞和2 孔溢洪道同時泄洪。

3)庫水位在112.0 m以上時，輸水洞和4 孔溢洪道同時泄洪。

柴河水庫閘門運用方式見表4 所示。

表4 柴河水庫閘門運用方式

1.4 洪水調節計算成果

經各典型年計算分析，設計水位及校核水位以1995 年典型為高，所以采用1995 年典型調洪成果。柴河水庫除險加固洪水調節計算成果見表5 所示。

表5 柴河水庫除險加固洪水調節計算成果表

柴河水庫在控制2 孔放流(50 a一遇洪水最高水位為111.8 m)和閘門全部開啟放流(100 a一遇洪水最高水位為112 m)之間的水位差僅有20 cm，這也說明水庫遭遇50 a一遇以上的洪水時，應隨著水庫水位變化而加大水庫泄流，如果按入庫流量控制放流:①加快庫水位升高速度，縮短了兩級控制之間的操作時間，增大閘門實際操控難度;②水庫的下泄量在很短時間內由518 m3/s(50 a)增大至1 651 m3/s(100 a)，變幅快且大，對于下游溢洪道尾渠的安全造成較大影響，需對溢洪道尾渠進行防護，并提出了幾種處理方案，進行優化比選。

2 尾渠防護方案比選

2.1 方案比選

1)方案一:溢洪道樁號1+200 下游修建混凝土U 形槽，河槽底寬50 m，兩側為直墻，1+200 上游為天然河道斷面。

2)方案二:溢洪道樁號1+200 下游修建石籠防護的梯形斷面，河底寬80 m，兩側為1∶1邊坡，1+200上游為天然河道斷面。

3)方案三:為組合方案。在方案一的基礎上將下游交通橋至主河道間渠道改為格賓石籠，前100 m采用混凝土U 型槽，由50 m擴大到80 m，此后是底寬80 m的格賓石籠。

4)方案四:將方案一的混凝土擋墻改為表面鑲嵌料石的埋石混凝土衡重式擋墻，渠底寬50 m，混凝土底板。

經過綜合比較，推薦方案一，即混凝土U 型槽方案。該方案不占用基本農田、占地較少，征占地動遷相對容易，社會穩定風險小，工程相對易于實施。混凝土尾渠抗沖能力強，耐久性好，方便管理，工期較短，建設工程投資3565.86 萬元。各方案對比見表6所示。

3 工程設計

樁號0+000 處地面高程98.9 m，樁號1+200處設計渠底高程76 m，樁號2+344 處設計渠底高程71 m，設計渠底坡度0.0044。樁號1+200 ～2+344尾渠采用混凝土U 型槽，渠道寬50 m，渠道長1 144 m，安全超高取0.5 m，側墻高3.55 ～4.5 m，在墻頂設防護欄桿，防護欄桿高500 mm。在樁號1+200 處混凝土擋墻與巖石連接，在樁號2+344 處兩側各設10 m長回直段。

混凝土U 型槽采用分離式底板，兩側擋墻為懸臂結構，墻高3.55 ～4.5 m，墻頂寬300 mm，墻底部厚度及底板厚度均為600 mm，擋墻趾板長500 mm，擋墻高度≤4.0 m 時，踵板長2.5 m，擋墻高度＞4.0 m時，踵板長2.8 m。擋墻每10m 設一道縫，用瀝青木板分縫，瀝青木板厚度20mm。在分縫處設橡膠止水帶。擋墻在距底板頂面0.5 m處設一排排水孔，孔距1.5 m，排水孔采用PVC 管，管徑80 mm。墻后回填砂礫石，回填頂高程比墻頂低0.7 m。

表6 各方案比選表

4 穩定計算

根據《水工擋土墻設計規范》，主要建筑物級別為2級，對應擋土墻級別為3 級。混凝土U 型槽側墻按擋土墻計算其強度及穩定性，計算參數為:混凝土容重γ混凝土=24 kN/m3;墻背填土容重γ填土=18 kN/m3，內摩擦角φ=35°，基底抗剪摩擦系數f=0.50［1］。

擋土墻的抗滑穩定計算公式如下:

式中:Kc為抗滑穩定安全系數;∑W 為作用于墻體上的全部垂直力總和，kN;∑P 為作用于墻體上的全部水平力的總和，kN;F 為墻底摩擦系數。

擋土墻的抗傾穩定計算公式為:

式中:K0為抗傾穩定安全系數;∑MV為抗傾覆力距總和，kN·m;∑MH為傾覆力距總和，kN·m。

擋土墻基底壓應力計算公式為:

式中:σmax、σmin為基底的最大和最小壓應力，kPa;∑G 為垂直荷載，kN;A 為底板面積，m2;∑M 為荷載對底板形心軸的力矩，kN·m;W 為底板的截面系數，m3;計算結果見表7 所示。

表7 穩定計算成果表

計算結果滿足規范要求。

［1］中華人民共和國水利部.水工檔土墻設計規范［S］.北京:中華人民共和國水利部，2007.