蘭州新區(qū)廟兒溝水庫(kù)工程主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析

馮龍龍

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 ,甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

蘭州新區(qū)廟兒溝水庫(kù)工程地處蘭州新區(qū)秦川鎮(zhèn)境內(nèi),位于新區(qū)秦川鎮(zhèn)石門溝移民點(diǎn)東北的西溝,蘭州新區(qū)廟兒溝水庫(kù)為注入式水庫(kù),以引大東二干渠末端渠水為水源,利用引大東二干渠末端已建的石門溝2#水庫(kù)引水渠,將引大東二干渠水引至石門溝2#水庫(kù),經(jīng)石門溝2#水庫(kù)供水管道將水引至石門溝3#水庫(kù),之后從石門溝3#水庫(kù)引水入庫(kù),經(jīng)新建新區(qū)廟兒溝水庫(kù)調(diào)節(jié)后,由供水管道向蘭州新區(qū)城市礦產(chǎn)與表面處理產(chǎn)業(yè)園和園區(qū)東南部3萬(wàn)畝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)供水。蘭州新區(qū)廟兒溝水庫(kù)總庫(kù)容約818萬(wàn)m3,興利庫(kù)容723萬(wàn)m3,死庫(kù)容62萬(wàn)m3,水庫(kù)正常蓄水位2127.92 m,設(shè)計(jì)洪水位2128.11 m,校核洪水位2128.50 m,死水位為2109.10 m。工程年總供水量為2266萬(wàn)m3,其中工業(yè)供水量為1142萬(wàn)m3,農(nóng)業(yè)供水量為1123萬(wàn)m3,工程年引水量為2453萬(wàn)m3。

2 工程布局及主要內(nèi)容

工程總體布局：本工程以引大東二干渠末端渠水為水源,利用引大東二干渠末端已建的石門溝2#水庫(kù)引水渠,通過(guò)石門溝2#水庫(kù)和石門溝3#水庫(kù)“串聯(lián)”輸送、引水入庫(kù),經(jīng)水庫(kù)調(diào)節(jié)后,原水由供水管道沿西溝西側(cè)至車路溝,然后橫穿車路溝至南側(cè)支溝一路向南至道人溝溝底,橫穿道人溝至提路溝,沿提路溝至小石門溝,沿小石門溝西側(cè)經(jīng)高家莊橫穿緯54路,最終向東輸送至表面處理園區(qū)中部。

主要建設(shè)內(nèi)容：本工程由引水工程、調(diào)蓄水庫(kù)工程、供水工程組成。引水隧洞進(jìn)口布置于石門溝3#水庫(kù)庫(kù)區(qū)左岸,設(shè)計(jì)引水流量2.0 m3/s,引水線路總長(zhǎng)666 m；擋水主壩為壤土心墻堆石壩,壩頂高程2130.80 m,壩頂寬度6.0 m,最大壩高61.5 m；供水線路長(zhǎng)約11.6 km,供水流量1.08 m3/s。

3 主要建筑計(jì)算分析

3.1 進(jìn)水口水力學(xué)計(jì)算

引水建筑物水力學(xué)計(jì)算就是根據(jù)已知的或給定的其他一些參數(shù)求出水流過(guò)程未知的特性參數(shù)[1]。引水隧洞進(jìn)水口為有壓短洞進(jìn)口,經(jīng)長(zhǎng)30 m有壓短洞與豎井閘室段相接。閘室工作門孔口尺寸為1.5 m×1.5 m（寬×高）,引水流量公式為：

式中：Q為流量,m3/s；μ為流量系數(shù),與閘孔形狀、流速系數(shù)φ有關(guān)；b為每孔凈寬；T0為上游水位至閘底板的水頭,m；ω為隧洞出口面積；hp為隧洞出口斷面平均單位勢(shì)能。

式中：ω為隧洞出口斷面面積；ξi、ωi為局部能量損失系數(shù),及相應(yīng)的斷面面積；li為隧洞某段長(zhǎng)度,與之相應(yīng)的斷面面積ωi、水力半徑Ri、舍齊系數(shù)Ci。

計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 引水有壓隧洞過(guò)流能力計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算,引水隧洞有壓洞段最大過(guò)流能力為28.6 m3/s。

3.2 引水無(wú)壓洞段水力學(xué)計(jì)算

引水無(wú)壓隧洞段按明渠均勻流計(jì)算,計(jì)算公式如下：

式中：Q為輸水流量,m3/s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m2；C為謝才系數(shù)；N為糙率；R為水力半徑,m；i為縱坡比降。

計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 引水隧洞無(wú)壓洞段水力學(xué)計(jì)算

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）,低流速無(wú)壓隧洞,洞內(nèi)水面線以上空間不宜小于隧洞斷面面積的15%,因此,引水隧洞無(wú)壓洞段最大過(guò)流能力為6.6 m3/s。因此,為滿足引水流量2.0 m3/s須經(jīng)工作門控制流量。

3.3 壩頂高程的計(jì)算

1）壩頂超高計(jì)算公式：

式中：y為壩頂超高,m；R為最大波浪在壩坡上的爬高,m；e為安全加高,m；A為最大風(fēng)壅水面高度,m。

2）正向單坡上的平均波浪爬高：

式中：Rm為平均波浪爬高,m；m為單坡坡度系數(shù)；K為斜坡糙率滲透系數(shù)（取0.90）；Kw經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（取1.0）；hm為平均波高,m；Lm平均波長(zhǎng),m。

設(shè)計(jì)波浪爬高值應(yīng)根據(jù)工程等級(jí)確定,本工程為3級(jí)壩,采用累計(jì)頻率為1%的爬高值R1%。

3）波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田試驗(yàn)站公式：

式中：hm為平均波高,m；Tm為平均波周期,s；W為計(jì)算風(fēng)速；D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度；Hm為水域平均水深；g為重力加速度；Lm為平均波長(zhǎng)；H為壩前迎水面水深,m。

④風(fēng)壅水面高度計(jì)算：

式中：e為計(jì)算點(diǎn)處的風(fēng)壅水面高度,m；D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度,m；K為綜合摩阻系數(shù),取3.6×10-6；β為計(jì)算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角,（°）。

根據(jù)上述計(jì)算公式,壩頂高程計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 廟兒溝水庫(kù)壩頂高程計(jì)算表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用條件工況下壩頂高程最大,計(jì)算值為2130.59 m,考慮留有適當(dāng)?shù)脑６?確定壩頂高程為2130.80 m。壩頂設(shè)1.2 m高防浪墻,防浪墻頂高程為2132.00 m。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）要求,心墻土質(zhì)防滲體頂部高程在正常運(yùn)用條件靜水位以上安全超高不低于0.3 m,同時(shí)不低于非常運(yùn)行條件的靜水位,同時(shí)心墻頂保護(hù)層厚度按不小于最大凍土深度考慮取1.5 m,確定心墻頂高程為2129.30 m。

3.4 水庫(kù)左、右岸低埡口截滲混凝土重力式擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算

擋土墻穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 379-2007）中的公式進(jìn)行計(jì)算。

（1）擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑W為作用于墻體上的全部垂直力的總和,kN；∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和,kN；f為底板與墻基之間的摩擦系數(shù),取值0.4。

（2）擋土墻的抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；MV、MH為傾覆力矩,kN·m。

（3）擋土墻基底壓應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：σmax、min為基底的最大和最小壓應(yīng)力,kPa；∑G為垂直荷載,kN；A為底板面積,m2；∑M為荷載對(duì)底板形心軸的力矩,kN·m；ΣW為底板的截面系數(shù),m3。

擋土墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4～表6。

表4 擋墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

表5 擋墻抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算成果

表6 擋墻基底應(yīng)力最大值與最小值之比計(jì)算表

表7 壩坡穩(wěn)定計(jì)算材料參數(shù)

表8 壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況

表9 標(biāo)準(zhǔn)剖面最小安全系數(shù)計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算,擋墻設(shè)計(jì)尺寸能滿足抗滑、抗傾覆以及基底應(yīng)力最大值與最小值之比滿足規(guī)范要求。

3.5 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用河海大學(xué)Auto-bank計(jì)算軟件中邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序進(jìn)行,本次計(jì)算對(duì)壩體上、下游邊坡分別采用計(jì)算條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法（圓弧滑動(dòng)）,計(jì)算公式為：

式中：各參數(shù)詳見(jiàn)《巖土工程勘察規(guī)范》。

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)水工建筑物設(shè)計(jì)是水庫(kù)建設(shè)的重要組成部分,其中水工建筑物相關(guān)的計(jì)算是水工建筑物設(shè)計(jì)中的難點(diǎn),在設(shè)計(jì)中有些也引入了一些新的方法如有限元法[2]。張海龍等運(yùn)用公式法對(duì)守口堡水庫(kù)大壩進(jìn)行了穩(wěn)定計(jì)算,取得了一定的效果[3]。蘭州新區(qū)廟兒溝水庫(kù)工程地處蘭州新區(qū)秦川鎮(zhèn)境內(nèi),經(jīng)新建新區(qū)廟兒溝水庫(kù)調(diào)節(jié)后,由供水管道向蘭州新區(qū)城市礦產(chǎn)與表面處理產(chǎn)業(yè)園和園區(qū)東南部3萬(wàn)畝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)供水。本工程由引水工程、調(diào)蓄水庫(kù)工程、供水工程組成。本文選取了進(jìn)口、無(wú)壓洞水力學(xué)、壩頂高程、水庫(kù)左、右岸低埡口截滲混凝土重力式擋土墻,壩坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算分析,結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求,目前該水庫(kù)工程進(jìn)展順利,可為以后同類工程的建設(shè)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。