常俊德，田振華，劉發(fā)智

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

蓮河水庫溢洪道除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)概述

?？〉拢镎袢A，劉發(fā)智

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

蓮河水庫位于尚志市河?xùn)|鄉(xiāng)蓮河村螞蟻河中上游小支流河上，是以農(nóng)業(yè)灌溉為主兼顧防洪養(yǎng)魚的小型(1)水庫，溢洪道主要由進(jìn)口段、溢流段、消能段、海漫段等組成。文章闡述了溢洪道設(shè)計(jì)方面的幾個(gè)問題。

溢洪道；過流能力；消能計(jì)算；滲流計(jì)算

1 工程概況

1.1 工程現(xiàn)狀

蓮河水庫壩址地理坐標(biāo)為E128°07′，N45°17′，壩址以上控制集雨面積12.1 km2，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)魚等綜合利用的小(1)型水利樞紐。水庫設(shè)計(jì)總庫容188×104m3，興利庫容104×104m3。水庫防洪保護(hù)下游農(nóng)田166.67 hm2、蓮河村等4個(gè)村屯共900人的生命財(cái)產(chǎn)安全。

水庫設(shè)計(jì)正常蓄水位199.00 m，相應(yīng)庫容104×104m3；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位200.06 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，相應(yīng)校核洪水位200.77 m，死水位195.30 m，相應(yīng)庫容10 萬 m3。

蓮河水庫樞紐工程由土壩、溢洪道、輸水洞等建筑物組成。樞紐工程等級(jí)為Ⅳ等，主要建筑物的級(jí)別為4級(jí)。

1.2 存在的主要問題

溢洪道為漿砌石結(jié)構(gòu)，表面剝蝕，出口與土壩接觸處有漏水嚴(yán)重，消力池全部沖毀，下游海漫全部破壞。閘門及啟閉機(jī)已損壞無法使用，臨時(shí)采用編織袋裝土封堵，已威脅水庫的正常運(yùn)行[1]。

1.3 工程設(shè)計(jì)內(nèi)容

土壩維修加固，在原基礎(chǔ)上加高培厚，整形護(hù)坡，修建壩頂路面。新建輸水洞和建溢洪道。

2 溢洪道加固設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

主體工程由土壩、溢洪道和輸水洞3部分組成。水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按10 a一遇洪水設(shè)計(jì)，50 a一遇洪水校核。工程等別為Ⅳ等，灌溉設(shè)計(jì)保證率為75%。

2.2 工程布置

現(xiàn)狀溢洪道位于土壩左端，樁號(hào)為0+036.4，底高程約為199.00 m，凈寬約為15 m，無消能設(shè)施，無護(hù)砌。本次設(shè)計(jì)綜合地形、泄洪等因素，并考慮業(yè)主建議，將溢洪道仍然建在0+036.4位置處，軸線與壩軸線正交，與下游泄洪渠銜接。

本工程溢洪道為開敞式無閘控制，凈寬10 m，堰頂高程為興利水位199.00 m。溢洪道軸線與壩軸線垂直，由進(jìn)口段、溢流段、消能段、海漫段等部分組成，軸線長(zhǎng)度為49.10 m，10 a一遇溢洪道最大泄量為13.26 m3/s，50 a一遇的最大泄量為28.47 m3/s。 進(jìn)口段長(zhǎng)5 m，鋼筋混凝土U型結(jié)構(gòu)，底高程為興利水位199.00 m，邊墻坡度為1∶3.0。溢流段長(zhǎng)4.5 m，溢流凈寬為10 m，堰型為開敞式，無閘控制，堰頂高程為興利水位199.00 m，堰上設(shè)交通橋，橋面凈寬度與壩頂同寬為4 m，橋面中心標(biāo)高為201.61；橋總長(zhǎng)為11 m，該橋上部采用現(xiàn)澆板。陡坡段坡比為1∶3.0，底高程由199.00 m降至195.80 m，底寬為10 m，底板厚80 cm，采用U型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。消力池長(zhǎng)10 m，池深1.0 m，寬度10 m，底板厚0.8 m，底板高程為195.80 m，采用U型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻頂高程為198.30 m。海漫段總長(zhǎng)20.0 m，渠底進(jìn)口高程為196.80 m，岸頂高程為198.30 m，梯形斷面，底寬為10 m，邊坡1∶2，采用干砌石護(hù)砌，干砌石厚30 cm，下鋪20 cm碎石墊層及一層無紡布；海漫后設(shè)防沖槽，槽底寬1.4 m，槽深1.0 m，邊坡坡比均為1∶1，干砌石護(hù)砌。

2.3 過流能力復(fù)核

本次設(shè)計(jì)初步擬定溢洪道凈寬為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m共7個(gè)方案進(jìn)行比較，起調(diào)水位為199 m，通過經(jīng)濟(jì)方案比選，選擇溢洪道凈寬為10 m，堰頂高程199 m方案。水庫設(shè)計(jì)水位為199.89 m，校核水位200.48 m，溢洪道類型為開敞式寬頂堰，消力池長(zhǎng)10 m，池深1.0 m，板厚0.8 m，池長(zhǎng)10 m，海漫長(zhǎng)20 m。根據(jù)規(guī)范要求，自由出流的開敞式寬頂堰溢洪道可按下式計(jì)算：

(1)

式中：Q為設(shè)計(jì)流量，m3/s；m為流量系數(shù)；本工程為無坎寬頂堰，取m=0.385；ε為側(cè)收縮系數(shù)，本工程為無坎寬頂堰，取ε=1.0；B為過流凈寬，m；B=10.0 m；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水頭，本工程近似取H0等于堰上水頭；g為重力加速度，m/s2。

過流能力復(fù)核計(jì)算成果見表1。

表1 溢洪道過流量計(jì)算表

得出溢洪道過流量滿足設(shè)計(jì)過流要求。

2.4 泄槽水力計(jì)算

1)泄槽段臨界水深(hk)和臨界底坡(ik)計(jì)算

泄槽段臨界水深(hk)和臨界底坡(ik)按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

式中：q為泄槽單寬流量，m3/s·m；α為動(dòng)能修正系數(shù)，取1.05；g為重力加速度，m/s2；B為泄槽寬度，m；n為糙率系數(shù)，本工程取0.012；ik為臨界底坡，m；hk為臨界水深，m；Ak為臨界水深斷面面積，m；Rk為臨界水深斷面水力半徑，m；Ck為謝才系數(shù)。

根據(jù)以上公式計(jì)算臨界水深(hk)和臨界底坡(ik)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 臨界水深和臨界底坡計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算泄槽設(shè)計(jì)底坡大于臨界底坡。

2)起始水深h1計(jì)算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253—2000)A.3相關(guān)說明，泄槽上游接寬頂堰，起始計(jì)算斷面定在泄槽首部，水深h1取用泄槽首部斷面計(jì)算的臨界水深hk。

3)泄槽水面線計(jì)算

泄槽水面線應(yīng)根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式為：

(5)

(6)

(7)

(8)

2.5 消能計(jì)算

2.5.1 消力池計(jì)算

1)消力池深度計(jì)算

(9)

(10)

(11)

(12)

表3 泄槽段水面線計(jì)算成果表

2)消力池長(zhǎng)度計(jì)算

(13)

式中：L為消力池長(zhǎng)度，m；Lj為水躍長(zhǎng)度，m。

3)消力池底板厚度計(jì)算

根據(jù)抗沖要求，消力池底板始端厚度可按下式計(jì)算：

(14)

式中：t為消力池底板厚度，m；△H為泄水時(shí)的上、下游水位差，m；k1為消力池底板計(jì)算系數(shù)，可采用0.15～0.20。

2.5.2 海漫長(zhǎng)度計(jì)算

(15)

式中：Lp為海漫長(zhǎng)度，m；△H為上下游水頭差，m；q為消力池出口單寬流量，m3·(s·m)-1；Ks為海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，可查表，本工程取Ks=8。

2.5.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 溢洪道底流消能計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果本次設(shè)計(jì)采用消力池長(zhǎng)10 m，池深1.0 m，板厚0.8 m，海漫長(zhǎng)20 m。

2.6 滲流分析

計(jì)算公式采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265—2001改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算：

2.6.1 確定地基有效深度Te

(16)

(17)

(18)

式中：L0，S0分別為地下輪廓線不透水部分的水平投影長(zhǎng)度和垂直投影長(zhǎng)度，m。

2.6.2 滲透壓力計(jì)算

阻力系數(shù)計(jì)算：ξ

設(shè)計(jì)情況下，工程底板滲流出口處平均坡降和水平段平均滲透坡降計(jì)算值均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 語

蓮河水庫工程建成后，灌溉水田達(dá)166.67 hm2，可保護(hù)下游400 hm2耕地、村屯4個(gè)和人口900人，并對(duì)尚延公路具有防洪保護(hù)作用。從根本上解除水患，提高水庫下游防洪安全，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展。

[1]組萬軍，齊淑珍，張亞力.山河水庫溢洪道除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)[J].黑龍江水利科技，2009,37(05)：65-66.

1007-7596(2014)12-0157-03

2014-04-12

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目課題研究(PS13H19)

常俊德(1982-)，男，吉林梅沙口人，工程師；田振華(1983-)，男，山東泰安人，工程師；劉發(fā)智(1987-)，男，山東濟(jì)南人，助理工程師。

TV651.1

B