許春波，程玉珍

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

九里水庫溢洪道除險加固工程設(shè)計

許春波，程玉珍

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

九里水庫位于黑龍江省尚志市一面坡鎮(zhèn)九里村北，位于萬山鄉(xiāng)水庫屯西北0.2 km處，是以農(nóng)業(yè)灌溉為主、兼顧防洪、養(yǎng)魚的小(1)型水庫。溢洪道主要由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池段及海漫段等部分組成。文章闡述了利用原臨時溢洪道位置進(jìn)行重建溢洪道的加固方案。

溢洪道;控制段;穩(wěn)定;滲流;消能

九里水庫位于黑龍江省尚志市一面坡鎮(zhèn)九里村北，位于萬山鄉(xiāng)水庫屯西北0.2 km處，螞蟻河右岸一級支流上，距尚志市區(qū)37 km，行政上隸屬尚志市直接管轄。水庫壩址以上流域面積為16.4 km2，壩址地理坐標(biāo)為 E128°10'，N45°07'。

1 工程現(xiàn)狀

水庫于1958年開始興建，是以農(nóng)業(yè)灌溉為主、兼顧防洪、養(yǎng)魚的小(1)型水庫。水庫灌溉水田面積133.3 hm2，對下游的水庫屯、水田屯及一面坡鎮(zhèn)至葦河鎮(zhèn)的公路起到一定的防洪作用。由于水庫設(shè)計資料丟失，原設(shè)計的特征水位均無法考證。水庫現(xiàn)狀死水位95.00 m，死庫容2.67萬m3，正常蓄水位97.50 m，相應(yīng)庫容49.0萬m3。

本次設(shè)計采用10 a一遇洪水設(shè)計，50 a一遇洪水校核。設(shè)計洪水位為98.67 m，相應(yīng)庫容為92.20萬m3，相應(yīng)泄量為18.90 m3/s;校核洪水位為99.40 m，相應(yīng)庫容為127.88萬 m3，相應(yīng)泄量為39.33 m3/s。

九里水庫為Ⅳ等工程，主要建筑物為4級，主體工程由土壩、溢洪道和輸水洞3部分組成。

溢洪道現(xiàn)狀為臨時性的，用柳樹條堆砌的一簡易過流斷面。

2 工程布置

2.1 溢洪道加固方案

本次設(shè)計利用原臨時溢洪道的位置進(jìn)行重建。

2.2 溢洪道規(guī)模方案比較

由于本工程屬于小(1)型水庫，在工程管理方面相對薄弱，并且水庫集水面積小、匯流時間短、洪水來得急，從安全調(diào)度和防洪安全、啟閉設(shè)備易丟失和損壞、沒有自動預(yù)報系統(tǒng)配合調(diào)度，沒有提前預(yù)泄能力，安全難以保證。因此，溢洪道本次設(shè)計采用無閘控制。

根據(jù)九里水庫興利規(guī)模，初擬4個方案進(jìn)行比較，堰型為寬頂堰，堰頂高程97.50 m，堰寬6.0 m、10.0 m、15.0 m，20.0 m進(jìn)行溢洪道規(guī)模比較，調(diào)洪成果見表1。按各方案水位及泄量分別計算溢洪道及土壩加固的工程量及造價，見表2。

表1 九里水庫溢洪道調(diào)洪成果表

表2 不同溢洪道方案比較表

從表2中可以看出，方案2：當(dāng)堰寬10.0 m時，溢洪道及土壩造價最低，采用堰寬10.0 m寬頂堰方案。所以本次設(shè)計把溢洪道新建在原溢洪道中心線，樁號0+568處，堰寬10 m無閘控制寬頂堰方案做為選定方案。

2.3 溢洪道工程布置

溢洪道位于土壩右岸，樁號為0+568處。采用無閘開敞式溢洪道。溢洪道為1孔，孔凈寬10.0 m，堰型為寬頂堰，堰頂高程97.50 m，主要由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池段及海漫段等部分組成。

2.3.1 進(jìn)口段

由進(jìn)口護砌段和進(jìn)口鋼筋混凝土“U”槽段組成。進(jìn)口段全長12.46 m，進(jìn)口高程96.50 m，出口高程97.50 m。

2.3.2 進(jìn)口護砌段

進(jìn)口兩側(cè)采用懸臂式擋土墻。單側(cè)圓弧墻長7.70 m，半徑為4.90 m，圓心角為90°，進(jìn)口底板長4.46 m，護砌型式為干砌塊石厚30 cm;下設(shè)砂卵石墊層15 cm及無紡布一層。

2.3.3 進(jìn)口鋼筋混凝土“U”槽段

該段與閘室段連接，長8 m，底寬10 m，底板厚1.2 m。

2.3.4 控制段

采用鋼筋混凝土“U”型槽結(jié)構(gòu)，長6.0 m，1孔，孔凈寬10 m，底板厚1.5 m，寬頂堰結(jié)構(gòu)，堰頂高程97.50 m，邊墩頂寬1.0 m，墩頂高程100.20 m，為無閘控制，交通橋?qū)?.0 m?？刂贫蝺蓚?cè)刺墻長5.0 m，頂寬0.4 m，底寬0.8 m。

2.3.5 泄槽段

采用鋼筋混凝土“U”型槽結(jié)構(gòu)，長16.20 m，分2節(jié)，第1節(jié)長8.0 m，第2節(jié)長8.20 m，底寬10 m，泄槽段底板縱坡坡比為1∶3，底板厚1.2 m。

2.3.6 消力池段

采用鋼筋混凝土“U”型槽結(jié)構(gòu)，消力池挖深1.2 m，底寬10 m，池長14.5 m，底板頂高程92.10 m，厚1.2 m，出口兩側(cè)接懸臂式擋土墻，單側(cè)墻長4.92 m。

2.3.7 海漫段

分兩段，全長30.0 m，直線段長為2.76 m，圓弧段長27.24 m，轉(zhuǎn)彎半徑為30.0 m，海漫段底寬為10.0 m，渠底高程為93.30 m。海漫段護砌采用厚30 cm干砌塊石護砌，下設(shè)15 cm砂卵石墊層及無紡布一層。邊坡1∶2.0。海漫段后接出水渠。

3 工程設(shè)計

3.1 水力計算

3.1.1 泄流能力計算

采用《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253-2000)中寬頂堰泄流能力計算公式：

式中：Q為流量，m3/s;B為溢流堰總凈寬，m;H0為堰上水頭，m;m為流量系數(shù);ε為收縮影響系數(shù)。計算成果見表3。

表3 溢流堰過流能力計算成果表

3.1.2 陡坡段水面線計算

陡坡段水面線根據(jù)能量方程，用分段求和法計算泄槽水面線，計算公式為：

式中：Δl1-2為分段長度，m;h1為泄槽起始斷面水深，m;h2為泄槽末端斷面水深，m，經(jīng)試算得;a1、a2分別為流速分布不均勻系數(shù)，取1.05;i為泄槽底坡，i=1/3;θ為泄槽底坡角度，θ=18.43°;為泄槽平均摩阻坡降;n為泄槽槽身糟率系數(shù)，n=0.012;為槽內(nèi)平均流速=(v1+v2)/2，m/s;為泄槽內(nèi)平均水力半徑=(R1+R2)/2，m。

對于矩形斷面泄槽的臨界水深計算公式為：

式中：q為泄槽的單寬流量，m3/s·m;α為動能修正系數(shù)，可近似地取為1.05;g為重力加速度，取9.8 m/s2。

泄槽上接寬頂堰，水深h1選用泄槽首端斷面計算的臨界水深hk，設(shè)計和校核情況下臨界水深分別為0.714 m和1.164 m。溢洪道水面線計算成果見表4。

表4 水面線計算成果表 m

3.1.3 消能計算

根據(jù)九里水庫的地形及地質(zhì)條件，適宜做底流消能，確定消能方式采用底流消能。

3.1.3.1 消力池深度計算

1)收縮水深計算公式為：

式中：hc為收縮水深，m;T0為總勢能，m;q為過閘單寬流量，m3/s/m;σ為水流動能校正系數(shù)，取1.0值;φ為流速系數(shù)，取0.95值。

2)躍后水深計算公式為：

3)出池落差計算公式為：

式中：ΔE為出池落差，m;為出池河床水深，m。

4)消力池深度計算公式為：

式中：σ0為水躍淹沒系數(shù)，可采用1.05～1.10。

3.1.3.2 消力池長度計算

1)水躍長度計算公式為：

式中：Lj為水躍長度，m。

2)消力池長度計算公式為：

式中：Lsj為消力池長度，m;Ls為消力池斜坡段投影長度，m;β為水躍長度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8。

3.1.3.3 海漫長度計算

計算公式為：

式中：Lp為海漫長度，m;q'為消力池末端單寬流量，m3/s/m;ks為海漫長度計算系數(shù)。經(jīng)計算消力池池深、池長由校核情況控制，計算結(jié)果見表5。

表5 溢洪道消能計算成果表

3.2 穩(wěn)定驗算

溢洪道的主要結(jié)構(gòu)計算包括閘室段及擋土墻的穩(wěn)定計算及應(yīng)力分析。

3.2.1 閘室穩(wěn)定計算

抗滑穩(wěn)定計算采用抗剪斷強度公式，計算公式為：

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載(包括閘室基礎(chǔ)底面上的揚壓力在內(nèi))，kN;∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN;［Kc］—閘室沿基礎(chǔ)底面的容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f為閘基底面與巖基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，f=0.30。

3.2.2 閘室段地基應(yīng)力分析

計算公式為：

式中：B為閘室段長，m;e為偏心距，m;σmax、σmin為最大最小應(yīng)力，kPa;∑G為作用于堰體上的全部豎向荷載，kN;∑M為作用于堰體上的全部豎向荷載和水平荷載對地基面垂直水流方向的形心力矩，kN·m;η為不均勻系數(shù)。閘室及擋土墻穩(wěn)定分析成果見表6。

表6 溢洪道穩(wěn)定計算表

經(jīng)計算，基底垂直正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，正應(yīng)力值均在本次地質(zhì)報告中給出的基礎(chǔ)低液限黏土的承載力閘室段［σ］=120 kPa，出口擋土墻段［σ］=160 kPa，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.3 滲流分析

溢洪道上、下游水位差H設(shè)為3.35 m、H校為3.52 m，基礎(chǔ)為黏土。滲徑系數(shù)C=3～4，取C=4。

為滿足滲流穩(wěn)定要求，防滲長度必須滿足以下公式：

式中：L為防滲長度，m;C為滲徑系數(shù)，取4;ΔH為上下游水頭差，m。經(jīng)計算滲徑長度L=3.52×4=14.08 m。本次設(shè)計溢洪道的防滲長度為64.66 m大于滲徑長度，滲流穩(wěn)定。

4 結(jié)語

水庫除險加固后，可以從根本上解除水患，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，增強抗御水旱災(zāi)害的能力，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，增加農(nóng)民收入，保護和改善了水庫下游防洪安全，為促進(jìn)社會穩(wěn)定發(fā)展、提高種植業(yè)經(jīng)濟效益，加快區(qū)域地方政治、經(jīng)濟、文化等發(fā)展起到積極的作用。

［1］中華人民共和國水利部.GB50201-94防洪標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計劃出版社，1994.

［2］江蘇省水利勘測設(shè)計研究有限公司.SL379-2007水工擋土墻設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［3］水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院.SL253-2000溢洪道設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2000.

［4］江蘇省水利勘測設(shè)計研究院.SL265-2001水閘設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.

TV651.1

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1007-7596(2011)06-0085-03

2011-05-05

許春波(1977-)，女，黑龍江雙鴨山人，工程師;程玉珍(1966-)，女，黑龍江蘭西人，高級工程師。