曲洪雷，蘭朝臣，李嚴(yán)坤

(1. 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080;2. 黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶163316)

1 工程概況

林山水庫位于黑龍江省綏化市蘭西縣榆林鎮(zhèn)東南3.5 km，呼蘭河支流八岔溝上游小支流，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、旅游、養(yǎng)魚等綜合利用的小(2) 型水庫。林山水庫壩址以上集水面積3.75 km2。

水庫始建于1975年，于1976年竣工。坐水灌溉旱田300 hm2，共2個(gè)村屯，合計(jì)3 250人受益;養(yǎng)魚水面4.67 hm2。

林山水庫總庫容為22.2 ×104m3，根據(jù)國(guó)家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》( GB50201—94) 及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》( SL252—2000) 的有關(guān)規(guī)定，確定本工程屬小( 2) 型水庫，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物土壩、放水洞為5 級(jí)。由于水庫最大壩高＜15 m，且上下游最大水頭差＜10 m，因此，水庫標(biāo)準(zhǔn)按平原區(qū)確定，參考林山水庫的原設(shè)計(jì)及安全鑒定成果，主要建筑物按10 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。

放水洞位于土壩右端，為壩下埋管，進(jìn)口底檻高程149.00 m，為鋼筋混凝土箱涵，斷面尺寸0.9m( 寬) ×0.75m( 高) ，洞長(zhǎng)15.0m。

放水洞出口有漏水現(xiàn)象，涵洞與消力池連接部位錯(cuò)位寬度達(dá)50 cm;消力池翼墻傾斜、錯(cuò)位、斷裂，翼墻左側(cè)回填土被掏空;下游無海漫段，沖刷嚴(yán)重。放水洞閘門銹蝕變形嚴(yán)重，閘門漏水;啟閉機(jī)的螺桿有彎曲，機(jī)座和箱體零件不完整，閘門和啟閉機(jī)均已不能正常運(yùn)行。

2 放水洞設(shè)計(jì)

2.1 規(guī)模確定

本次設(shè)計(jì)擬拆除重建放水洞。放水洞擬采用壩下埋管，進(jìn)口底檻高程維持原進(jìn)口底檻高程149.00 m，考慮工程施工及運(yùn)行檢修要求，斷面尺寸為1.5m×1.8m×1 孔。按擬定的放水洞規(guī)模進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，放水洞最大泄量＞最大入庫洪峰流量，設(shè)計(jì)、校核洪水位均等于正常蓄水位152.00 m，因此，放水洞斷面尺寸按施工及檢修要求設(shè)計(jì)，確定為1.5m ×1.8m×1 孔。

2.2 結(jié)構(gòu)布置和材料

拆除重建放水洞位于土壩右端，軸線樁號(hào)為壩0 +155.5m，為壩下埋管，由前至后分別由進(jìn)口段、取水塔、洞身段、消力池段、海漫段等組成。

1) 進(jìn)口段:采用鋼筋混凝土U 型槽結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)5.0 m，凈寬1.5 m，底板頂高程為149.00 m。

2) 取水塔: 取水塔長(zhǎng)5.5 m，凈寬1.5 m，底板頂高程149.00 m，底板厚1.0 m，邊墻厚1.0 m，取水塔內(nèi)設(shè)工作門、檢修門;為了安裝檢修時(shí)搬運(yùn)方便，取檢修平臺(tái)高程同壩頂高程為153.90 m;按閘門安裝﹑檢修時(shí)的懸吊高度，確定啟閉平臺(tái)高程為157.40 m，啟閉平臺(tái)上設(shè)有2 臺(tái)螺桿式啟閉機(jī)。

3) 洞身段:為鋼筋混凝土箱涵，總長(zhǎng)14 m，洞高1.8 m，洞寬1.5 m，比降為1∶100。

4) 消力池段:采用鋼筋混凝土U 型槽結(jié)構(gòu)，設(shè)直跌式二級(jí)消力池;一級(jí)消力池長(zhǎng)18 m，凈寬由1.5 m變至2.66 m，深1.9 m; 二級(jí)消力池長(zhǎng)13 m，凈寬由2.66 m 變至3.5 m，深1.5 m。

5) 海漫段: 海漫段長(zhǎng)23.0 m，采用30 cm厚的干砌石護(hù)砌，下設(shè)砂礫石墊層20 cm及400 g/m2無紡布一層，后接拋石防沖槽。海漫段后接約48 m長(zhǎng)的尾水渠與下游河道相接。

建筑物基礎(chǔ)為低液限黏土層，基礎(chǔ)埋深小于設(shè)計(jì)凍深，考慮防止凍漲破壞，基礎(chǔ)采用鋪設(shè)保溫板的防凍措施。

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.3.1 過流能力計(jì)算

采用《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50288—99) 中計(jì)算公式。若h1( 涵洞進(jìn)口水深) ≤1.2 D ( 洞高) ，為無壓力流;若1.2D ＜h1≤1.5D，為半壓力流;若h1＞1.5D，為壓力流。放水洞進(jìn)口水深為3.0 m，＞1.5 D( 洞高) ，為有壓流，按壓力流自由出流公式計(jì)算。計(jì)算公式為:

式中: m 為壓力流時(shí)的流量系數(shù); i 為洞底比降; L 為涵洞長(zhǎng)度，m; β 為修正系數(shù)，取0.85; ∑ζ 為局部水頭損失系數(shù)的總和; R 為水力半徑，m; C 為謝才系數(shù); A 為涵洞斷面面積，m2;g 為重力加速度，取9.81m/s2; H0為計(jì)及流速水頭的涵洞進(jìn)口水頭，m。

經(jīng)計(jì)算，放水洞設(shè)計(jì)、校核工況下計(jì)算流量均為10.74 m3/s，遠(yuǎn)大于要求泄量5.78 m3/s和8.66 m3/s，過流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 消能計(jì)算

放水洞采用底流消能，消能計(jì)算包括:

2.3.2.1 消力池深度計(jì)算

計(jì)算公式采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL265—2001) 推薦公式計(jì)算。

1) 收縮水深可按下式計(jì)算:

2) 躍后水深可按下式計(jì)算:

3) 出池落差可按下式計(jì)算:

4) 消力池深度可按下式計(jì)算:

式中: d 為消力池深度，m; σ0為水躍淹沒系數(shù)，采用1.1; hc″為躍后水深，m; hc為收縮水深，m; α 為水流動(dòng)能校正系數(shù)，采用1.05; q 為過閘單寬流量，m2/s; b1為消力池首端寬度，m; b2為消力池末端寬度，m; T0為由消力池底板頂面算起的總勢(shì)能，m;Δz 為出池落差，m;hs'為下游水深，m。

2.3.2.2 消力池長(zhǎng)度計(jì)算

式中: L 為消力池長(zhǎng)度，m; φ 為流速系數(shù)，取1.0; H0為計(jì)及流速水頭的上游水頭，m; H 為上游水頭，m; P 為跌差，m。

2.3.2.3 海漫長(zhǎng)度計(jì)算

式中: Lp為海漫長(zhǎng)度，m; qs為消力池末端單寬流量，m2/s; Ks為海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，取9。消能計(jì)算結(jié)果見表1 。

表1 放水洞消能計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)上述計(jì)算成果，消能設(shè)施采用情況分述如下: 一級(jí)消力池長(zhǎng)18 m，深1.9 m; 二級(jí)消力池長(zhǎng)13 m，深1.5 m，海漫長(zhǎng)23 m。

2.3.3 滲流穩(wěn)定計(jì)算

放水洞基礎(chǔ)為低液限黏土，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行滲流穩(wěn)定驗(yàn)算。

2.3.3.1 地基有效深度計(jì)算

式中: Te為土基上水閘的地基有效深度，m; L0為地下輪廓的水平投影長(zhǎng)度，m; S0為地下輪廓的垂直投影長(zhǎng)度，m。

當(dāng)計(jì)算的Te值大于地基實(shí)際深度時(shí)，Te值按地基實(shí)際深度采用。

2.3.3.2 分段阻力系數(shù)計(jì)算

1) 進(jìn)、出口段計(jì)算公式為:

式中: ξ0為進(jìn)、出口段的阻力系數(shù); S 為板樁或齒墻的入土深度，m; T 為地基透水層深度，m。

2) 內(nèi)部垂直段的計(jì)算公式為:

式中: ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

3) 水平段計(jì)算公式為:

式中: ξx為水平段阻力系數(shù); Lx為水平段長(zhǎng)度，m; S1、S2為進(jìn)、出口板樁或齒墻的入土深度，m。

2.3.3.3 各分段水頭損失值

式中: hi為各分段水頭損失值，m; ξi為各分段的阻力系數(shù); n為總分段數(shù)。

2.3.3.4 進(jìn)、出口段修正后的水頭損失值計(jì)算

計(jì)算公式為:

式中: h0' 為進(jìn)、出口段修正后的水頭損失值，m; h0為進(jìn)、出口段水頭損失值，m; β' 為阻力修正系數(shù)，當(dāng)計(jì)算的β' ≥1.0時(shí)，采用β' =1.0 S' 為底板埋深與板樁入土深度之和，m; T'為板樁另一側(cè)地基透水地基深度，m。

2.3.3.5 出口段滲流坡降值

式中: J 為出口段滲流坡降值。

經(jīng)計(jì)算，放水洞水平段滲流坡降值為0.136 ＜允許水平滲流坡降值［J水平］=0.4，出口段滲流坡降值為0.335 ＜允許滲流坡降值［J出口］=0.7，放水洞抗?jié)B穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.4 放水洞穩(wěn)定計(jì)算

2.3.4.1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL265—2001) ，取水塔、擋土墻沿基底面抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)及基底應(yīng)力按下列公式計(jì)算:

式中: Kc為沿取水塔、擋土墻基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù); f為取水塔、擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.3;∑H 為作用在取水塔、擋土墻上的全部水平向荷載; ∑G 為作用在取水塔、擋土墻上的全部豎向荷載，kN;為取水塔、擋土墻基底應(yīng)力的最大值或最小值，kPa; ∑M 為作用在取水塔、擋土墻上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m; A 為取水塔、擋土墻基底面的面積，m2; W 為取水塔、擋土墻基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。

2.3.4.2 抗浮穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL285—2003) ，取水塔抗浮穩(wěn)定按下列公式計(jì)算:

式中: ∑V 為建基面上垂直力總和; ∑U 為建基面上揚(yáng)壓力總和; Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.3.4.3 擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)

計(jì)算公式為:

式中: K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù); ΣMV為對(duì)擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m; ΣG 為對(duì)擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。放水洞穩(wěn)定計(jì)算成果見表2、表3。

表2 取水塔穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果表

表3 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表2、表3 可知，取水塔、擋土墻最大基底應(yīng)力≤地基容許承載力160kPa，大小應(yīng)力比小于規(guī)范允許值，抗滑、抗浮及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范允許值，取水塔、擋土墻穩(wěn)定能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語

水庫除險(xiǎn)加固后，提高水資源調(diào)控能力，完善防洪體系。為下游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力條件，增加農(nóng)民收入，為促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展，提高種植業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，加快區(qū)域地方政治、經(jīng)濟(jì)、文化等發(fā)展起到積極的作用。

［1］中華人民共和國(guó)水利部. GB50201—94 防洪標(biāo)準(zhǔn)［S］. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1994.

［2］江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. SL265—2001 水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2001.

［3］中華人民共和國(guó)水利部. GB50288—99 灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

［4］水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院. SL285—2003水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京: 中國(guó)水利水電出版社，2003.