基于王家油房水庫水利計算及壩坡穩定探析

彭 軍

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

基于王家油房水庫水利計算及壩坡穩定探析

彭 軍

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

由于該地區水資源比較貧乏，遠遠不能滿足農業用水需要，這在很大程度上阻礙了農業發展，為改變這種狀況，就必須興修水利，攔蓄地表水，開發利用地表水、地下水。故修建王家油房水庫，為此對該水庫進行了水利計算及對壩坡穩定進行了分析。

土壩；水利計算；壩坡穩定；王家油房水庫

1 概 述

昌圖縣老四平鄉王家油房水庫，根據實地調查，壩址選定在太平河中游，壩址距發源地12.87km,控制面積7.04km2，距壩址2.48km上游有小(1)型水庫一座，北洼子水庫20a設計最大下泄洪峰流量為40.4m3/s,50a該河最大下泄洪峰流量51.2 m3/s。流域內多位于丘陵地帶，河兩岸為農田，河道常流水，汛期流量較大。

2 水利計算

2.1 壩高庫容計算

根據壩址地形圖用等高線計算法得出王家油房庫容計算見表1。

其具體方法如下:

利用庫區地形圖,等高距按地形條件選擇,本設計取1m,計算時首先量出各等高線的面積,再計算各層庫容及累計庫容,相鄰兩條等高線的體積為：

Vn=(Fn+Fn-1)/2×Hn

(1)

式中：Vn為相鄰兩等高線之間的體積；Fn,Fn-1為相鄰兩等高線對應的面積；Hn為兩相鄰等高線的高差。

2.2 墊底庫容計算

墊底庫容應滿足泥沙淤積要求：

V墊=G(1+E)×T/r

(2)

式中：G—懸移質多年平均輸沙量G=gF其中g為多年平均輸沙模數，查《水文手冊》，g=400t/km2，F為流域面積F=7.04km2，則G=gf=400×7.04=2816t；T為設計淤積年限20a；E為推移質占懸移質比重取E=20%；r為泥沙容重，r=1.4t/m3。

V墊=G(1+E)×T/r=2816×(1+20%)×20/1.4=4.83萬m3

查圖1 Z-V曲線，得死水位Z死=95.90m。

表1 王家油房水庫水位、庫容表

由上表繪出Z-V曲線，見圖1。

圖1 王家油房水庫z-v曲線

2.3 防洪庫容和設計洪水位的確定

防洪標準為20年設計，50年校核。采用概化三角形法進行調洪演算。本設計采用開敞式寬頂堰溢洪道，不設閘門，寬度取B=25m，根據寬頂堰泄流公式：

q=MBh1.5

(3)

計算不同堰上水頭h時的下泄流量、滯洪庫容、總水位等，列于表2。

表2 王家油房水庫下泄流量、庫容、水位表

用上表繪q-V滯曲線，見圖2。

由qm=Qm(1-v滯/Wp)繪制qm-v滯曲線，見圖2。

在圖中查得最大下泄流量qm=49.55 m3/s；V滯=23.61萬m3

圖2 王家油房q-v滯曲線

V總=V正+V滯=20.54+.23.61=44.15萬m3；

查得Z校=98.76m，堰上水頭H=1.18m。

驗證溢洪道寬：

B=qm/(MH1.5)=49.55/(1.5×1.181.5)=24.90m-25m；

故溢洪道寬可以取B=25m。

由上圖可查得：

1)設計時的最大下泄流量：

qm設= 31.44m3/s，V設=37.26萬m3。

V滯= 16.72萬m3，Z設=98.45m。

2)校核時的最大下泄流量

qm=49.55m3/s，V滯=23.61萬m3。

V校=44.15萬m3，Z校=98.76m。

2.4 壩頂高程的計算

本設計按七級風，庫面長度2.6m，壩頂高程的確定參照《小型水庫工程》按下式計算

▽壩頂=▽洪+hB+δ，
▽壩頂=▽洪+d

(4)

式中：hB為風浪爬高，m，由表3查得；δ為安全超高，m，由表4查得；d為靜水位以上的超高值，m，由表4查得。

表3 風浪爬高表

表4 超高表

1)正常運行時(設計洪水時)：

▽壩頂=▽洪+hb+δ=98.45+0.95+0.4=99.8m；

▽壩頂=▽洪+d=98.45+0.7=99.15m；

則正常運行時壩頂高程為99.8m。

2)非正常運用時(校核洪水時)：

▽壩頂=▽洪+hb+δ=98.76+0.95+0.3=100.01m；

▽壩頂=▽洪+d=98.76+0.5=99.26m；

則正常運行時壩頂高程為100.01m。

通過以上計算▽壩頂=100.01m。

3 土 壩

3.1 壩型選擇

當地黏土土料豐富，適宜建壩，為了方便于是選擇碾壓式均質黏土壩。

3.2 土壩的斷面尺寸及構造

3.2.1 壩高

根據第一部分水文水利計算的壩頂高程，壩高由下式確定：

H壩高=▽壩頂-▽壩底=100.01-94=6.01m。

壩基可能發生沉陷，應預留沉陷高度為壩高的1.0%，所以壩高為6.07m。

3.2.2 壩頂寬度

因壩頂有通車要求，按單車道考慮，選擇寬為5m。

3.2.3 坡度及護坡

1)土壩坡度：因均質土壩，壩高<15m，且壩頂寬5m，所以選上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡為1∶2.25。

2)護坡：為了保護壩面不受風浪淘刷、漂浮物、冰凍等的破壞，防止雨水沖刷、干裂、穴居動物的破壞以及下游有水部位的波浪、冰凍和水流作用的破壞，上下游壩面都應設置護坡。上游護坡因受風浪的沖擊力較大，所以采用砌石護坡。該壩壩高較小，護坡從壩頂到壩底。塊石尺寸一般為30-40cm，為了防止波浪淘刷及庫水位驟降時，滲水的破壞作用，護坡下應鋪設反濾層。反濾層用粒徑不同的2—3層無黏性土(砂、礫石、卵石或碎石)做成，每層厚度為20cm，設置兩層，總厚度為40cm。下游坡采用草皮護坡，在壩坡上鋪腐殖土，厚0.1-0.2m，上面種草或移植草皮[1-3]。

3)壩體防滲：均質土壩因壩體土料采用黏土，黏土透水性較小，不需另做防滲設備。

4)壩基防滲：壩基與壩體土質相同，可直接在清基后回填。清基厚度取0.4m。

5)壩基排水：因當地石料較少，為了節省石料，采用斜臥式排水設備，其頂寬1.0m，邊坡與土壩下游坡相同為1∶2.25，排水設備由砂子、碎石、及塊石3種材料組成。

3.3 土壩穩定計算

1)壩坡穩定分析主要考慮如下3種情況：①水庫為正常高水位時，且浸潤線已形成，此時滲透水壓力指向下游。此時是影響下游壩坡穩定的最不利水位。故下游壩坡穩定計算，只考慮正常高水位時下游壩坡穩定即可；②上游水位處于1/3壩高時，是對上游壩坡穩定最不利的水位，所以在計算上游壩坡穩定時應按1/3壩高水位時計算；③庫水陡漲陡落及地震時土壩的穩定計算。對于小型水庫不必考慮[4-6]。

2)壩坡的安全系數：此工程為Ⅳ級建筑物，取Fs正=1.20，Fs校=1.05，參照《中小型水庫設計》。

3.4 土壩穩定的計算

土壩穩定的計算采用條分法，因計算量大，本設計只進行下游壩坡穩定計算。具體步驟如下：

1)參照以上壩體設計和滲透計算畫壩體剖面圖及浸潤線見圖3。

2)用圖解法確定用圖解法確定危險圓弧滑裂面圓心的位置O1，O2。

3)以O1，O2，…，Oi，…為圓心，以OiBi為半徑做一個滑動圓弧ABOi如圖3，并假定厚度為1m、壩體比例尺為1∶100。

4)取分條為等寬b=0.1R，將圓弧內土體分成寬度為b的鉛直土條，以OiO開始以寬度b向左右兩側量取，即得到條塊中心的位置，過OiO的一條為零條，以左被分為1、2、…條，以右被分為-1、-2、…條[7-8]。

5)由圖上量出每一條塊中心線的各種土體高度Hi，當最后的條塊的寬度去不為整數時，可近似地化為寬度為b的條塊計算，即Hn=s/b。

6)計算出屬于同一土體的圓弧長度Li，計算凝聚力。

7)求出Oi位置的壩坡穩定安全系數。

8)找出最危險滑弧圓的位置，計算安全系數。

(4)

式中：Li為每一類土構成的土塊的底部圓弧長；ai為土塊與OiO的夾角。

壩體與壩基土料相同，距北洼子水庫提供土料資料見表5。

注：γd土體容重。凡在浸潤線以上的均用濕容重(γd)，在浸潤線以下，當計算滑動力時用飽和容重(γs)，計算抗滑力時用浮容重(γb)，在以上情況所取容重在計算Fs時，得出Fs比實際值小，這樣有利于壩體的穩定。

同理，可得O2…，On時正常情況下Fs>1.20，校核情況下Fs>1.05，所以結構安全。

圖3 壩體穩定計算圖

3.5 壩體土方量計算

壩體土方計算列于表6，壩長的確定方法:由壩高+壩底高程即得所設計壩高時的高程,在地形圖上定出該高程的等高線,等高線與壩中軸線相交,兩交點之間的距離即為壩長。

表6 土壩土方計算表

4 結 語

根據水工建筑物的設計要求和設計原理進行設計。以實際調查的水量、地形和地質資料為基礎，立足于安全、經濟可行對該水庫進行了水利計算。為了宣泄規劃庫容所不能容納的洪水，防止洪水漫壩頂，對大壩的穩定性能進行了分析，以保證大壩安全，滿足于下游河道水流情況相同而減少對河岸的沖刷的要求，確保河床以及河岸的安全。

[1]周維垣,陳興華,楊若瓊,等.高拱壩整體穩定地質力學模型試驗研究[J].水利規劃與設計，2003(01)：66-68.

[2]林灼培.淺談梯級水庫的水文水利計算[J].水利建設與管理，2006(06)：21-23.

[3]朱峰.堤防工程護坡和護岸設計[J].水利規劃與設計，2013(07)：18-20

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[7]邱明月,鄒祺,王亞東.青龍山水庫土壩邊坡穩定計算分析[J].黑龍江水利科技，2007(06)：91-94.

[8]陳靜.朱坊水庫除險加固分析與設計[J].水利技術監督，2012(01)：66-68.

1007-7596(2017)10-0117-04

TV139.1

B

2017-09-20

彭軍(1977-)，男，遼寧鞍山人，工程師，從事水文勘測和水資源研究工作。