小型引水渠重力壩設計及計算簡化方法探討

王金科

【摘 要】河口縣蒙河鐵路隧道施工影響區供水工程灌溉片區多、引水渠數量眾多、需修建多座小型取水壩，基于此，論文論述了此類擋水壩的結構簡化及計算優化的方法，供相關技術人員在同類工程中進行參考。

【Abstract】In Hekou County MengHe Railway Tunnel Construction， the irrigation area is large， the diversion canal number is large， so it need to construct a large number of small in-take dams， based on this， the paper discusses the method of this kind of retailing dam structure simplification and calculation optimization， to provide reference to relevant technical personnel in similar projects.

【關鍵詞】小型重力壩；結構；設計；優化

【Keywords】small gravity dam； structure； design； optimization

【中圖分類號】TV5 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）08-0171-02

1 引言

蒙河鐵路項目規劃新建Ⅰ級電氣化鐵路141.43㎞，設計時速120㎞/h，總投資83.4億元。蒙河鐵路項目在河口縣境內段長63.932㎞，占路線全長的45%，其中隧道總長54.12㎞，占河口段全長的84.7%，總投資約37.7億元，蒙河鐵路河口段近85%段為隧道，2010年蒙河鐵路河口段開工建設以來，沿線鄉鎮農場沿途村寨龍潭、泉眼、沼澤地水源流量逐年減小，甚至干涸。

工程項目內受影響缺水的灌溉片區，主要通過修建渠道從周邊河流引水灌溉。本文主要針對灌溉片區內多座取水壩同時進行設計，提出減少水工專業設計工作量，避免不必要重復設計工作，進行結構及計算簡化和優化的設計方法。

2 擋水壩結構設計

引水渠擋水壩建筑物主要由C15混凝土重力壩、壩面自由溢流和挑流消能、壩身輸水管組成，根據重力壩的特點，采用壩身溢流的方式，保證擋水壩的蓄水排泄要求[1]。

2.1 防洪標準

根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB50288-99），河口縣蒙河鐵路隧道施工影響區供水工程，灌溉渠工程的等別為Ⅴ等，工程級別為5級，設計流量僅為0.001～0.215m3/s，并且取水壩下游無重要保護對象，因此，擋水壩采用10年一遇（P=10%）的設計洪水標準，20年一遇（P=5%）的校核防洪標準設計，以此確定擋水壩的工程等別仍為Ⅴ等，工程級別為5級，工程規模為小型。

2.2 結構尺寸設計

結合壩基工程地質條件、水文計算、取水渠首渠底高程及相關重力壩設計規范，壩頂寬度采用1.0 m和1.5m兩種類型，迎水面坡比1：0.1，背水側坡比1：0.6，壩高1.02～7.45m，最大壩基寬度5.97～8.895m。

2.3 溢流壩段設計

通過曲線方程計算下游直線段與曲線段的切點，然后根據上下游水位差和定型設計水頭確定壩下游反弧半徑為2m，并計算反弧曲線圓心，然后通過消能計算確定挑流角為25o比較合適。為防止小流量沖刷壩腳，在壩腳下游設短護坦工程，溢流面、導水墻為常態C20鋼筋砼結構[2]。

灌區各擋水壩溢流壩段溢流堰布置為無閘開敞式自由溢流，溢流堰為實用堰，單孔布置。利用開敞式WES型實用堰泄流能力計算公式，由已知設計流量，將各擋水壩校核流量對應的堰上總水頭控制在1.05～1.33m、1.58～2.00m和2.11～2.67m三個區間之內，通過試算法，來選定灌溉片區每個擋水壩的堰流凈寬，分別采用2.0m、4.5m、5.0m、5.5m、7.5m、25.0m和26.0m比較合適，并做出對應的各擋水水壩水位—流量關系，因為屬于小型擋水壩，為方便設計統一采用0.6m的壩頂超高設計，輸水涵管采用Φ300mm的螺旋縫雙面埋弧焊鋼管，并設置型號SD341X-10的伸縮蝶閥控制。

2.4 擋水壩穩定計算及應力分析

2.4.1 壩體抗滑穩定計算

根據《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2005）第6.4款：壩體抗滑穩定計算主要核算壩基面滑動條件，應按抗剪斷強度公式（6.4.1-1）或抗剪強度公式（6.4.1-2）計算壩基面的抗滑穩定安全系數。

2.4.3 結論

①經過取水壩的穩定性分析及地基應力分析，壩體沿壩基的抗滑穩定安全系數及壩基應力滿足規范規定和壩基承載力的要求；

②壩基最大應力小于壩基全風化片麻巖、全風化板巖承載力[R] 0.18～0.25MPa，因屬小型壩，各取水壩基礎開挖至片麻巖、板巖全風化層即可，不需要對壩基進行特殊處理；

③由于壩高很小，壩體的工作水頭不大，對應的防滲標準也較低，所產生的滲透壓力較小，不必對壩基進行防滲處理。

3 結語

對于設計灌溉片區內小型重力溢流壩數量眾多的工程項目，為減小壩體高度和減少下游堰堰面曲線的重復計算，優化壩體結構，可以使堰頂作用的最大水頭Hmax分別控制在少數幾個區間之內，這樣小型重力溢流壩定型設計水頭就能采用幾個相同類型的數值，并結合壩的上下游壩坡，確定堰曲線；灌區各擋水壩溢流壩段溢流堰布置為無閘開敞式自由溢流，溢流堰為實用堰，單孔布置。

利用開敞式WES型實用堰泄流能力計算公式，由已知設計流量，將各擋水壩校核流量對應的堰上總水頭控制在開始所選區間之內，通過試算法，來選定灌溉片區每個擋水壩的堰流凈寬，并做出對應的各擋水水壩水位—流量關系；通過上述計算方法，可以解決灌溉片區內多座取水壩同時進行設計、計算制圖煩瑣的問題，避免不必要的重復設計工作，提高水工專業設計效率。

【參考文獻】

【1】孫君森，林鴻鎂.重力壩設計新思路[J].水利學報，2004，35（2）：62-67.

【2】孫君森，林鴻鎂.最優重力壩設計[J].水力發電，2003，29（2）：16-19.endprint