白珠廟水庫溢洪道加固設計分析

肖 莉

(江西省吉安市青原區河東街道辦事處，江西 吉安 343000)

1 工程概況

白珠廟水庫位于青原區富灘鎮社山村委繞遠村，壩址距富灘鎮5.0km，距青原區中心城區20.0km。庫區地形以低山丘陵為主，分水嶺最髙點海拔489.7m，植被較好。水庫總庫容143.7萬m3；設計灌溉面積266.67hm2，實際灌溉面積146.67hm2，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養殖等綜合效益的小(1)型水庫。

水庫地理位置十分重要，下游有富灘鎮社山等村委0.42萬余人、耕地266.67hm2及青東公路等重要交通設施，水庫一旦失事，將給下游人民生命財產和國家重要基礎設施造成重大損失。

溢洪道地處低山地形，廣泛分布第四系殘坡積層地層，巖性為灰黃色粉質黏土局部夾少量碎石。兩岸邊坡陡立，雜草叢生，坡比約為1∶0.2，穩定性差，易發生邊坡塌滑。渠底和邊坡均無任何襯護設施，無消能措施，下泄水流極不順暢，淤塞較嚴重，影響行洪安全。

2 溢洪道加固設計

2.1 溢洪道控制段設計

2.1.1 溢洪道控制段泄流能力計算

白珠廟水庫溢洪道位于庫區左岸山坳中，控制段為開敞式寬頂堰，堰頂高程93.00m，堰頂寬5.5m，泄流能力按寬頂堰下列公式計算：

(1)

式中：B為溢流堰凈寬，5.5m；H0為包括行近流速水頭的堰前水頭；m為流量系數，取0.34。

經計算溢洪道下泄流量與庫水位關系見表1。

表1 白珠廟水庫庫水位-下泄流量曲線表

本次對白珠廟水庫調洪演算得水庫設計洪水位(P=3.33%)94.57m，相應下泄流量17.6m3/s；校核洪水位(P=0.33%)95.29m，相應下泄流量29.6m3/s。

2.1.2 溢洪道寬頂堰設計

寬頂堰底板采用C25混凝土襯砌，厚50cm，兩側新建C15混凝土擋墻，頂寬0.5m，墻高3.59m(加基礎埋深0.8m)，底寬2.616m，墻面坡比為1:0.4。

依據勘測資料、水庫的調洪演算成果以及《水工建筑物荷載設計規范》(DL5077-1997)，計算出側向土壓力、墻背土自重、邊墻自重、墻前水壓力、墻后水壓力，揚壓力，地基反力等荷載標準值，再將其轉化成相應的荷載設計值。

1)溢洪道寬頂堰邊墻抗滑穩定計算按下式計算：

(2)

式中：Kc為按抗剪強度計算的抗滑穩定安全系數；f為邊墻混凝土與巖的抗剪摩擦系數，0.46；∑W為作用于邊墻上的全部荷載對計算滑動面的法向分量，kN；∑P為作用于邊墻上的全部荷載對計算滑動面的切向分量，kN。

2)基底應力按下式計算：

(3)

式中：∑W為所有垂直力總和，kN；e為荷載作用于基礎底面上的偏心矩，按下式計算：

(4)

式中：B為底板的寬度，m。

3)抗傾覆計算按下式：

(5)

式中：∑My為作用于墻體的荷載對墻前趾產生的穩定力矩，kN·m；∑Mo為作用于墻體的荷載對墻前趾產生的傾覆力矩，kN·m；K0為抗傾穩定安全系數[1]。

寬頂堰邊墻典型斷面穩定及應力結果見表2。

表2 寬頂堰邊墻穩定計算表

從上表可知寬頂堰邊墻抗滑穩定、抗傾覆、基底應力滿足規范要求。

2.2 溢洪道泄槽段設計

2.2.1 泄槽段水面線計算

本次加固設計:沿現有地形布置兩級泄槽，總長72.0m，底寬均為5.5m。一級泄槽長50.0m，縱坡i=0.02，進口底高程93.0m，末端底高程92.0m；二級泄槽長22.0m，縱坡i=0.17，進口底高程92.0m，末端底高程88.20m；泄槽段底板均為C20混凝土底板，厚30cm。

1)臨界水深的計算

泄槽斷面為矩形斷面，其臨界水深hk計算由得：

(6)

式中：α為流速分布不均勻系數,α=1.05；g為重力加速度，g=9.81；q為單位寬度通過的流量(q=29.6/5.5=5.38m3/s)。

取校核洪水位溢洪道相應下泄流量進行計算，得臨界水深hk=1.46m。

2)陡坡臨界底坡計算

臨界底坡的計算式如下：

(7)

式中：濕周xk=b+2hk；過水斷面面積ωk=b×hk；謝才系數CK=(R1/6)/n，n=0.017；水力半徑Rk=ωk/xk。

經計算得ik=0.004，小于實際縱坡i=0.02，則泄槽段均為陡坡。

根據《規范》(SL253-2000)，用分段求和法計算溢洪道泄槽水面線，再考慮摻氣影響及安全加高，可算出需要的邊墻高度。由泄槽首端的水深hk=1.46m，采用下列公式計算可推求其它斷面水深：

(8)

式中：△I1-2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；a1、a2為流速分布不均勻系數，取1.05；θ為泄槽底坡角度，°；i為泄槽底坡，i=tg，θ=0.02；J為分段內平均摩阻坡降；n為泄槽槽身糙率系數,取0.017；v為分段平均流速，m/s；R為分段平均水力半徑，m。

2.2.2 泄槽段邊墻穩定計算

泄槽段兩側新建C15混凝土擋墻，頂寬0.5m，最大墻高3.3m(基礎埋深0.8m)，底寬2.5m，墻面坡度1∶0.4，具體尺寸見附圖。計算公式同前，計算結果見表3。

表3 泄槽段邊墻穩定計算成果表

2.2.3 泄槽段底板安全計算

泄槽邊墻順水流方向每隔10.0-12.0m設一條分縫，泄槽底板與邊墻前設結構縫分開，取第一塊底板進行安全計算。

1)根據《溢洪道設計規范》，底板的抗浮穩定安全系數采用以下公式計算：

(9)

式中：Kf為抗浮穩定安全系數；θ為底板底面與水平面的交角(θ=arctan(i))；P1為底板的自重；P2為底板頂上的時均壓力，p2=(ρwghcosθ)·A；P3為當采用錨固措施時，地基的有效重量；Q1為底板頂面上的脈動壓力，按下式計算：

(10)

式中：βm為面積均化系數，取0.1；pfr為脈動壓強；Kp為脈動壓強系數，取0.025；v為相應計算斷面的平均流速；Q2為底板底面的揚壓力。

2)底板抗滑穩定按抗剪斷強度公式計算：

(11)

式中：K為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；∑W為作用于底板上的全部荷載對計算滑動面的法向分量，kN；∑P為作用于底板上的全部荷載對計算滑動面的切向分量，kN；f＇為底板混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數，0.46；c＇為底板混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力，0.09MPa；A為底板與基巖接觸面的截面積。

白珠廟水庫溢洪道泄槽段底板厚30cm，計算結果如表4。

表4 底板抗浮穩定計算結果表

根據《溢洪道設計規范》規定，特殊組合[K]=2.5、[Kf]=1.0-1.2， 從上表計算結果可知：泄槽段底板的抗滑穩定和抗浮穩定安全系數均大于允許值，所擬底板厚度滿足要求[2]。

2.3 消能防沖設計

2.3.1 消力池設計

本次加固消能方式采用底流消能，在泄槽末端修建一下挖式消力池。消力池結構尺寸設計按《規范》(SL253-2000)中推薦的公式計算。本工程消能防沖設計標準采用P=5%，最大下泄流量為15.3m3/s，消力池寬5.5m，消能采用底流消能型式，其池深、池長計算公式為：

(12)

L=9.5(Fr1-1)h1(1.7< Fr1<9.0時，水躍長度Lj的計算公式)

式中：d為池深，m；σ為水躍淹沒度，取σ=1.05；h2為池中發生臨界水躍時的躍后水深，m；△Z為消力池尾部出口水面跌落，m；Q為流量，m3/s；b為消力池寬度，5.5m；φ為消力池出口段流速系數，取0.95；L為自由水躍長度，m；Lk為池長，m。

經計算在P=5%洪水情況下，消力池池深S=0.71m，池長消力池LK=8.95m。為施工方便取池深S=0.8m，池長LK=10.0m。

2.3.2 消力池底板抗浮穩定計算

消力池底板C25混凝土襯砌厚50cm，底板抗浮穩定計算公式同前，計算結果見表5。

表5 消力池底板抗浮穩定計算結果表

計算結果表明：消力池底板滿足抗浮要求。

2.3.3 消力池邊墻穩定計算

消力池兩側新建C15混凝土擋墻，頂寬0.5m，墻底寬H=σhc″+S=2.80×0.4+1.5=2.62m，設計消力池擋墻高為3.6m(基礎埋深0.8m)，墻面坡度1∶0.4，具體尺寸見附圖。計算公式同前，計算結果見表6。

表6 消力池邊墻穩定計算表

從上表可知，新建消力池邊墻抗滑穩定、抗傾覆、基底應力滿足規范要求。

2.4 出水渠段加固設計

為防止下泄水流沖毀農田，本次加固設計需新開挖出水渠，出水渠設計標準采用10a一遇，最大下泄流量為12.0m3/s。對渠槽進行清淤、平順坡底，長26.5m(樁號0+092.5-0+119)，底寬5.5m，底坡根據實際地形取i=0.04。樁號0+092.5-0+119開挖、規整成梯形斷面，不予襯砌。

出水渠按明渠均勻流進行水力計算：

(14)

式中：A為過水斷面面積；B為渠道底寬，B=5.5m；C為謝才系數；R為水力半徑；n為渠道糙率，n=0.025；i為渠道底坡，i=0.04；H為過水斷面水深，m。

經計算樁號0+076-0+090水深0.5m，安全超高取0.5m，則出水渠開挖高度取1.0m。

3 結 論

白珠廟水庫是以灌溉為主，結合防洪、養殖等綜合利用的小(1)型水庫，總庫容143.7萬m3。本次溢洪道加固工程可消除各水工建筑物的潛在安全隱患，保證工程正常運行和設計效益的正常發揮，增加下游河道的防洪能力，具有重大效益。