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        元江縣陸家店水庫溢洪道設(shè)計(jì)

        2015-12-31 00:00:00白永發(fā)
        基層建設(shè) 2015年13期

        云南省玉溪市元江縣水利水電勘測設(shè)計(jì)院 云南省玉溪市元江縣 653300

        摘要:溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否,不僅直接影響到水庫的安全,而且關(guān)系到整個(gè)工程造價(jià)。一般中小型溢洪道,約占水庫樞紐工程造價(jià)的25~30%及勞動(dòng)力的25%,故溢洪道合理的布局、選型和數(shù)據(jù)計(jì)算,在水庫工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。

        關(guān)鍵詞:溢洪道;設(shè)計(jì)

        1.工程概況

        陸家店水庫位于云南省玉溪市元江縣咪哩鄉(xiāng)甘岔村委會(huì)陸家店村,水庫所在河流為紅河流域元江右岸一級(jí)支流清水河。水庫壩型為粘土心墻壩,壩高55.3m,總庫容147.8萬m3。工程規(guī)模為?。ㄒ唬┬?。

        2工程布置及建筑物

        2.1溢洪道設(shè)計(jì)

        根據(jù)地形和地質(zhì)資料把溢洪道布置于右岸。采用可研推薦的軸線。溢洪道基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化泥巖、粉砂質(zhì)泥巖之上,工程地質(zhì)條件相對(duì)較好。對(duì)可研推薦方案進(jìn)行比較優(yōu)化。

        挑流段所處的岸坡陡峭,限制了挑流段的布置空間。研究比較鼻坎在不同里程采用不同挑射角的情況,鼻坎里程為0+241.500、挑射角20 °時(shí)水流能最好的挑入河床中心。

        2.1.1溢洪道布置

        溢洪道為岸坡開敞式。溢洪道布置于大壩右岸。全長242m,寬度為4~2.5~1.5m,高度為2.02~2.32~1.4~2.003~1.4m,進(jìn)口底板高程為1969.98m,出口底板高程為1902.561m。堰頂高程為1969.98m。溢洪道由進(jìn)水渠段)、控制段、泄槽段、挑流消能段組成。溢洪道的斷面型式均為矩形斷面,采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

        2.1.2水力學(xué)計(jì)算

        溢洪道為開敞式自由溢流,設(shè)計(jì)下泄流量為4.07m3/s(P=3.33%);校核下泄流量為7.01m3/s(P=0.33%),消能防沖設(shè)計(jì)流量3.62m3/s(P=5%)。

        1.溢洪道進(jìn)口水力計(jì)算

        溢洪道為敞開式,進(jìn)口底板高程為1969.98m。過流能力按無坎寬頂堰堰流公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為:

        式中:σs——為淹沒系數(shù);

        ε1——為側(cè)收縮系數(shù);

        m——為流量系數(shù);

        堰的寬度經(jīng)過計(jì)算比較確定為2.5m。

        經(jīng)計(jì)算進(jìn)口尺寸滿足要求。

        2.溢洪道泄槽段的水面線推算

        泄槽段底坡均為陡坡,采用分段求和法計(jì)算泄槽段水面線。按下式計(jì)算:

        △Ll-2=[h2cosθ+(α2v22/2g)]-[h1cosθ+(α1v12/2g)]/(i-J)

        J=n2v2/R4/3

        式中:△Ll-2——分段長度,m;

        h1、h2——分段始、末斷面水深,m;

        v1、v2 ——分段始、末斷面平均流速,m/s;

        α1、α2——流速分布不均勻系數(shù);

        θ——泄槽底坡角度,o;

        i——泄槽底坡;

        J—— 分段內(nèi)平均摩阻坡降;

        n——泄槽槽身糙率系數(shù);

        v——分段平均流速,m/s;

        R——分段平均水力半徑,m。

        其中摻氣水深按下式計(jì)算:

        式中:hb——摻氣后水深,m;

        h——計(jì)算水深,m;

        v——不摻氣情況下計(jì)算斷面流速,m/s;

        ζ——修正系數(shù)。

        經(jīng)計(jì)算當(dāng)Q=7.01m3/s時(shí),起始斷面(寬2.5m)臨界水深hk=0.944m,根據(jù)hk推算出泄槽段水深及邊墻高度,計(jì)算結(jié)果見下表。

        水平里程(km+m)計(jì)算水深(m)流速(m/s)摻氣后水深

        (m)計(jì)算邊墻高

        (m)

        0+020.0000.9442.9700.9721.47

        0+040.0000.40511.5390.4520.95

        0+65.2770.37012.6310.4170.92

        0+076.3280.33613.9090.3830.88

        0+080.1220.36012.9810.4070.91

        0+103.5420.5009.3470.5471.05

        0+131.2740.6507.1900.6971.20

        0+172.0450.8125.7550.8591.36

        0+185.000.32214.5130.3690.87

        0+189.7000.30015.5780.3470.85

        0+198.2920.28016.6900.3270.83

        0+231.4060.26417.6710.3110.81

        3.消能防沖計(jì)算

        采用挑流消能。底流消能的洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,對(duì)應(yīng)的下泄流量Q=3.62m3/s。

        挑距計(jì)算公式為:

        L=1/g(v12sinθcosθ+ v1cosθ(v12sin2θ+2g(h1cosθ+ h2)1/2)

        式中:L——挑流鼻坎末端至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距,m;

        θ——挑流水舌水面出射角,近似取鼻坎挑角,(°);

        h1 ——挑流鼻坎末端法向水深,m;

        h1 ——鼻坎頂至下游河床的高程差;

        v1——鼻坎坎頂水面流速,m/s。

        經(jīng)過計(jì)算L=8.08m。

        最大水墊深度計(jì)算公式為:

        T=kq1/2Z1/4

        式中:T——自下游水面至坑底最大水墊深度,m;

        q——鼻坎末端斷面單寬流量,m3/(s.m);

        Z——上、下游水位差,m;

        K——綜合系數(shù)。

        經(jīng)過計(jì)算T=2.75m。

        2.1.3穩(wěn)定計(jì)算

        1.控制段抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算

        控制段基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下:

        式中:K——按抗剪斷確定計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

        ∑W——全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向分量,kN;

        ∑P——全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的切向分量,kN;

        f′——抗剪斷摩擦系數(shù);

        C′——抗剪斷黏聚力,Kpa。

        控制段基底應(yīng)力計(jì)算公式如下:

        式中——堰體基底應(yīng)力的最大值或最小值(kPa);

        ∑G——作用在堰體上的全部豎向荷載,kN;

        ∑M——作用在堰體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;

        W——堰體基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩,m4。

        計(jì)算成果見下表。

        序號(hào)荷載組合計(jì)算情況基底應(yīng)力(kPa)抗滑穩(wěn)定

        PmaxPmin地基允許

        承載力φC(Kpa)計(jì)算值規(guī)范

        允許值

        1基本

        組合完建情況30.430.41502018——

        2 設(shè)計(jì)洪水位34.6134.031502018183.073

        3特殊

        組合校核洪水位52.5219.721502018129.432.5

        4 地震情況71.510.72150201824.722.3

        通過以上計(jì)算成果可得控制段設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

        2.泄槽段穩(wěn)定復(fù)核

        溢洪道泄槽段整體抗滑穩(wěn)定采用抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算。分別對(duì)底坡不同的泄槽進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核,按校核洪水時(shí)最不利的情況進(jìn)行計(jì)算。

        計(jì)算公式如下:

        式中:Kc——按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

        ——底板混凝土與基巖之間的摩擦系數(shù);

        ——作用于接觸面上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向分力;

        ——作用于接觸面上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的切向分力;

        τ——水的流動(dòng)拖力;

        γ——水的容重;

        A——泄槽底板面積;

        R——水力半徑;

        b——為水面寬度;

        h——為計(jì)算斷面水深;

        J——水能坡降;

        ——流速系數(shù);

        H——為上下游水位差;

        L——計(jì)算泄槽段長度。

        經(jīng)過計(jì)算泄槽第1、2、3段當(dāng)下泄校核洪水流量時(shí):Kc分別為3.27、17.51、3.21,該條件下滿足抗滑穩(wěn)定要求。

        2.1.4結(jié)構(gòu)計(jì)算

        采用有限元法。計(jì)算成果見下表

        里程計(jì)算工況位置軸向力(KN)剪力(KN)彎矩(KN.m)

        0+014完建側(cè)墻桿底端20.20-45.9837.77

        完建底板桿端45.9820.2047.53

        完建底板桿中45.9803.60

        0+215完建側(cè)墻桿底端14.00-36.2516.52

        完建底板桿端36.2514.0020.95

        完建底板桿中36.2501.00

        溢洪道計(jì)算配筋為Φ14@200的雙層二級(jí)鋼筋。

        3結(jié)束語

        復(fù)核采用可研推薦的軸線,比較選定了挑流鼻坎的里程和挑射角;比較陡槽的抗滑穩(wěn)定的主要措施采用錨筋抗滑,減少底板厚度0.1m、邊墻厚度0.1m、齒墻深度0.8m,降低施工難度,減少造價(jià)27.46萬元。溢洪道陡槽段比較陡時(shí)通過加厚邊墻對(duì)陡槽的抗滑穩(wěn)定幫助不大,其厚度只要滿足橫向結(jié)構(gòu)計(jì)算要求即可,而在合適的地質(zhì)條件下采用錨筋抗滑的措施最經(jīng)濟(jì)。

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