水庫溢洪道除險加固設(shè)計與計算分析

陳　威

(綏中縣大中型水庫移民后期扶持工作辦公室，遼寧 綏中 125200)

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水庫溢洪道除險加固設(shè)計與計算分析

陳威

(綏中縣大中型水庫移民后期扶持工作辦公室，遼寧 綏中 125200)

摘要：李金水庫位于綏中縣大王廟鎮(zhèn)境內(nèi)小黃村王寶河支流上，是以調(diào)洪、灌溉為主，供水、養(yǎng)魚為輔的小(1)型水庫。目前水庫溢洪道存在著安全隱患，急需除險加固建設(shè)。文章對李金水庫溢洪道的除險加固進行設(shè)計與計算分析，為水庫溢洪道除險加固提供基礎(chǔ)依據(jù)，達到消除水庫安全隱患，確保水庫安全運行。

關(guān)鍵詞：水庫；溢洪道；除險加固；水面線；消能計算

1水庫概況

李金水庫位于綏中縣大王廟鎮(zhèn)境內(nèi)小黃村王寶河支流上，是以調(diào)洪、灌溉為主，供水、養(yǎng)魚為輔的小(1)型水庫。

李金水庫位于王寶河支流上，該支流發(fā)源于大王廟鄉(xiāng)黃羊村老秦家北五花大頂，發(fā)源地至入河口全長56.50 km，壩址以上河長15.70 km，控制流域面積29.20 km2，河道比降24.10‰。水庫始原設(shè)計標準為50 a一遇，校核標準為500 a一遇。原設(shè)計中死水位109.50m，死庫容44.22 萬 m3；正常高水位118.00，正常高水位庫容397.09 萬 m3；設(shè)計洪水位122.45m，設(shè)計洪水位庫容736.23 萬 m3；校核洪水位124.55 m，校核洪水位庫容930.19 萬 m3。

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水洞3部分組成。土壩為黏土心墻砂殼壩，溢洪道為開敞式寬頂堰。目前，李金水庫主要建筑物大壩、溢洪道、灌溉輸水隧洞等工程均存在著程度不一、或大或小危及工程安全的問題，致使水庫工程一直在帶病運行[1]。

2溢洪道除險加固方案

根據(jù)水庫溢洪道現(xiàn)狀以及存在的主要問題，本著實事求是，有險除險有病除病的原則，既要徹底除險加固又要經(jīng)濟安全，便于施工，最終確定溢洪道需做以下除險加固處理：將溢洪道右側(cè)山體進行削坡處理，清除風(fēng)化巖，達到穩(wěn)定坡度，并進行護坡襯砌，長度為48m，高8.00m；左側(cè)山體逐年風(fēng)化，有滑坡、脫落的危險，長度為67.00m，高度為8.00m擬采取削坡處理，削坡坡度為1∶0.5，并進行錨桿、掛網(wǎng)、混凝土噴錨處理[2]。

對陡槽段進行襯護處理。溢洪道底巖石風(fēng)化全部清除，溢洪道底部采用混凝土找平，長56.00 m，約0.20 m厚，上部采用C25F150混凝土護底，厚0.30 cm，混凝土表面布設(shè)直徑ф12的鋼筋，間距尺寸為20 cm×20 cm。溢洪道出口為底流式消能，為了防止下泄水流淘刷，新建消力池長31.00m，池深1.60m。增加導(dǎo)墻長度，溢洪道右側(cè)已有導(dǎo)墻與山體之間沒有連接上，根據(jù)測量需增加長度57m,為混凝土結(jié)構(gòu)，頂寬0.50m，高4.20m，背側(cè)邊坡為1：0.4，基礎(chǔ)寬3.18m。

3除險加固設(shè)計與計算分析

按現(xiàn)有溢洪道寬度16.00m進行調(diào)洪演算，現(xiàn)有大壩高度滿足30 a一遇洪水設(shè)計，300 a一遇洪水校核的標準，所以按現(xiàn)狀寬度，不足部位要加寬到16.00m，計算控制堰的水位與流量關(guān)系[3]。

3.1溢洪道布置

李金水庫溢洪道沒有引水渠，堰型為寬頂堰，長10m，陡坡段為56m，分2級陡坡，第一級陡坡長28m，比降為0.168，第2級陡坡長28m，比降為0.27。在泄槽段增設(shè)邊墻，長57m，采用混凝土結(jié)構(gòu)。出口為底流式消能，設(shè)消力池，池深1.60m，長為31.0m。

3.2水面線計算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》SL253—2000的規(guī)定，進行水面線計算[4]。

3.2.1泄槽首端斷面h1的確定

泄槽上游接寬頂堰，起始計算斷面定在泄槽首端，水深h1取用泄槽首端的臨界水深hk。

(1)

式中：q為單寬流量，m2/s；α為流速分布不均勻系數(shù)，采用1.05。

泄流量計算公式：

(2)

式中：Q為溢洪道設(shè)計標準下泄流量，m3/s；q為單寬流量，m3/s；B為溢流堰寬度，m；h為堰后收縮水深，m；H為堰上水深，m；v為行近流速，m/s；n取0.02。

根據(jù)計算公式，經(jīng)計算首端槽首部斷面水深h1的結(jié)果詳見表1。

表1　首端槽首部斷面水深h1表

3.2.2陡槽水面線計算

兩段陡槽都采用矩形斷面，底板混凝土襯砌n=0.02，泄洪陡槽按30 a一遇洪水標準設(shè)計，300 a一遇洪水校核。陡槽水面線根據(jù)能量方程，用分段求和法計算，計算公式為：

(3)

式中：△L1-2為分段長度，m；h1、h2為分段始末斷面水深，m；v1、v2為分段始末斷面平均流速，m/s；α1、α2為流速分布不均勻系數(shù)，取1.0；θ為陡槽底坡角度，°；i陡槽底坡，i=tgθ；J為分段內(nèi)平均摩阻坡降。

3.2.3陡槽2起始斷面計算

(4)

式中：H0為起始計算斷面渠底以上總水頭，m；θ為泄槽底坡坡角，m；φ為流速系數(shù)，取0.95；g為重力加速度。

根據(jù)計算公式，經(jīng)計算第2陡槽3hk斷面水深h1的結(jié)果詳見表2。

表2　第2陡槽3hk斷面水深h1表

3.2.4泄槽段水流摻氣水深計算

泄槽段水流摻氣水深按照公式為：

Hb=(1+ξv/100)h

(5)

式中：h、Hb為泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深，m；ξ為修正系數(shù)，取1.2s/m；v為不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，m/s。

根據(jù)計算公式，計算結(jié)果如表3和表4。

表3　第1陡槽P=0.33%時水面線計算表

表4　第2陡槽P=0.33%時水面線計算表

3.3消能計算

李金水庫溢洪道泄槽屬于陡坡跌水，尾水渠低于跌坎，不可能出現(xiàn)高序列流態(tài)，一般利用消力池作底流消能，結(jié)合溢洪道尾水槽設(shè)計，本工程采用底流消能型式[5]。消能防沖標準取10 a一遇洪水，泄量為114.84 m3/s。

3.3.1判斷是否需要建消能工

水躍參數(shù)按下式計算：

(6)

式中：hc為收縮水深；h″c為躍后水深；α為水流動能修正系數(shù)，采用1.05；q為過閘單寬流量；T0為由消力池底板頂面算起的總勢能；φ為流速系數(shù),取0.95；b1為消力池首端寬度，b1=16.00m；b2為消力池末端寬度，b2=25.00m。

下游尾水渠水力計算按明渠均勻流公式計算，計算成果見表5，水躍計算成果見表6。

表5　消力池下游河道水力計算表

表6　水躍計算成果表

根據(jù)表6計算，需要修建消力池。

3.3.2消力池深度確定

消力池深度按下式計算：

(7)

消力池計算結(jié)果見表7。

表7　消力池池深、池長計算成果表

3.3.3消力池長度確定

消力池長度按下式計算：

Lj=6.9(h″c-hc)

Lsj=Ls+βLj

(8)

式中：Lsj為消力池長度；Ls為消力池斜坡段水平投影長度；H0為堰頂以上水頭；P為從池底算起的堰高；m為過堰流量系數(shù)；β為水躍長度校正系數(shù)，采用0.75；Lj為水躍長度。

經(jīng)計算，消力池總長度為31.00m，池深為1.60m。

3.4溢洪道泄槽邊墻結(jié)構(gòu)計算

溢洪道泄槽靠大壩一側(cè)導(dǎo)流墻采用重力式混凝土結(jié)構(gòu)，擋土墻最大高度4.20m，底板長2.68m，立墻厚0.50～2.18m，底板厚0.50m，擋土墻根據(jù)泄槽底板設(shè)置沉降縫，縫間設(shè)止水[6]。

3.4.1抗滑穩(wěn)定計算

(9)

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與基礎(chǔ)摩擦系數(shù)，取0.50；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載。

3.4.2基底應(yīng)力計算

(10)

式中：Pminmax為擋土墻基底應(yīng)力的最大值或最小值；∑G為作用在擋土墻上的全部豎向荷載；L為擋土墻垂直水流方向的長度；B為擋土墻順水流方向的長度；e為偏心矩；∑M為作用于擋土墻各力對底板前趾的穩(wěn)定力矩；∑M0為作用于擋土墻各力對底板前趾的傾覆力矩。

擋土墻計算成果見表8。

表8　擋土墻計算成果表

經(jīng)計算，擋土墻各工況抗滑穩(wěn)定計算均滿足規(guī)范要求，完建期基底最大應(yīng)力不大于地基允許承載力的1.2倍，其他各工況基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.5泄槽底板布置

泄槽底板分塊：縱縫3道，中間1道，邊墻與底板連接處各1道，橫縫與邊墻相同。

泄槽底板止水：縱橫縫均采用平縫，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水1道。

泄槽底板縱橫排水系統(tǒng)：縱橫排水均采用尺寸400mm×400mm盲溝，盲溝內(nèi)填碎石，其中縱向排水3道，起始于溢流堰，沿底板縱向分縫延伸至溢洪道尾端。橫向排水間距與底板分縫對應(yīng)，并與縱向排水連接形成完整封閉排水體系[7]。

3.6溢洪道建筑物基礎(chǔ)處理

整個溢洪道均坐落在巖基上，其特征承載值較高，因此新建建筑僅需將強風(fēng)化層清除，在原巖面澆注混凝土即可，不需對基礎(chǔ)作任何處理。

4結(jié)論

李金水庫溢洪道泄槽屬于陡坡跌水，根據(jù)水庫地位情況，工程采用底流消能型式。通過對水庫溢洪道的除險加固工程設(shè)計與計算分析，工程除險加固采用次設(shè)計實施后，消除了水庫溢洪道病險情況，能夠保障水庫安全度汛，進一步發(fā)揮其經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益，為發(fā)展新農(nóng)村及城鎮(zhèn)化建設(shè)提供有力保障。

參考文獻：

[1]陳建中.小型水庫溢洪道除險加固工程設(shè)計[J].城市建設(shè)理論研究，2012年第34期.

[2]馬丹.水庫溢洪道除險加固工程設(shè)計思路[J].水利科技與經(jīng)濟，2010(02)：157-158.

[3]陳皓，朱曉玲，吳益.浙江省東陽市東方紅水庫溢洪道除險加固工程設(shè)計[J].水利水電工程設(shè)計，2012年01期.

[4]中華人民共和國水利部.SL253—2000灌洪道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[5]項偉.海龍川水庫大壩除險加固設(shè)計與計算[J].黑龍江水利科技，2014(12)：177-179.

[6]袁瑩.北鎮(zhèn)市龍門水庫除險加固工程設(shè)計分析[J].黑龍江水利科技，2014(11)：154-156.

[7]陳延生.葦子溝水庫大壩除險加固設(shè)計[J].黑龍江水利科技，2014(12)：160-163.

中圖分類號：TV651.1；TV697.3

文獻標識碼：B

[作者簡介]陳威(1975-)，男，遼寧綏中人，工程師，研究方向為水利工程、河道、水土保持、水資源等。

[收稿日期]2016-01-14

文章編號：1007-7596(2016)03-0028-04