張忠國(guó)

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

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曹四家子水庫(kù)大壩加固設(shè)計(jì)及溢洪道水面線計(jì)算探析

張忠國(guó)

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

曹四家子水庫(kù)位于遼寧的法庫(kù)縣曹四家子村，流域面積為6.5km2。由于大壩迎水坡護(hù)坡石為黃褐色強(qiáng)風(fēng)化巖，塊石取自溢洪道左側(cè)山體，護(hù)坡石厚僅為20cm，無(wú)碎石、砂墊層。塊石因多年風(fēng)化，質(zhì)脆易碎，故對(duì)大壩進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)。文章從壩頂高程、安全加高、大壩穩(wěn)定計(jì)算等方面對(duì)曹四家子水庫(kù)大壩加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算,同時(shí)對(duì)溢洪道泄流能力進(jìn)行了分析，水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)后，自身建設(shè)將得到進(jìn)一步改善，真正實(shí)現(xiàn)了以水養(yǎng)水的方針。

壩頂高程;加固設(shè)計(jì);溢洪道;水面線計(jì)算;曹四家子水庫(kù)

1 概 述

曹四家子水庫(kù)位于遼寧的法庫(kù)縣曹四家子村，流域面積為6.5km2，總河長(zhǎng)3km，比降為6.7‰。水庫(kù)工程由大壩、溢洪道、輸水洞組成，是一座以防洪為主的小(2)型水庫(kù)，大壩為均質(zhì)土壩，設(shè)計(jì)壩頂高程60.00m，實(shí)測(cè)壩頂高程60.00m,壩長(zhǎng)81m。溢洪道為開敞式結(jié)構(gòu)，凈寬15m，為寬頂堰堰型，堰頂高程57.00m。輸水洞為壩下方形鋼筋混凝土涵洞，斷面尺寸為1m×1m，進(jìn)口底板高程52.30m。

2 大壩加固設(shè)計(jì)

2.1 壩頂高程

2.1.1 壩頂高程計(jì)算公式

按照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL189-96)規(guī)定，壩頂高程為水庫(kù)靜水位加壩頂超高，壩頂超高計(jì)算公式為：

Y=R+A

(1)

式中：Y為壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；A為安全加高，按規(guī)范規(guī)定正常運(yùn)用情況下取0.5m，非常運(yùn)用情況下取0.3m。

波浪爬高，按下式計(jì)算：

(2)

式中：Rm為波浪平均爬高值，m；K△為斜坡糙率滲透性系數(shù)，查表A.1.12-1,K△=0.80；KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表A.1.12-2；m為斜坡坡度系數(shù)，取m=2.5；hm、Lm平均波高和波長(zhǎng)，按莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算hm、Lm值。

Tm=4.438hm0.5

(3)

式中：Tm為平均波周期；Hm為水域平均水深；W為計(jì)算風(fēng)速，非常運(yùn)用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速，W=V=17.1m/s；正常運(yùn)用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速的1.5倍,，W=1.5V=25.65m/s；D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，由庫(kù)區(qū)地形圖量測(cè)。

2.1.2 安全加高

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL189-96)取用：

設(shè)計(jì)水位時(shí)，A=0.5m,

校核水位時(shí)，A=0.3m。

根據(jù)上述所列公式和計(jì)算參數(shù)，土石壩壩頂超高計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 壩頂超高計(jì)算成果表

2.1.3 壩頂高程復(fù)核

土壩各種運(yùn)用情況的壩頂高程計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 土壩壩頂高程計(jì)算成果表

由此可見(jiàn)計(jì)算壩頂高程低于現(xiàn)狀壩頂高程60.00m。最后確定大壩壩頂高程為60.00m。

2.2 現(xiàn)狀大壩穩(wěn)定計(jì)算

2.2.1 計(jì)算參數(shù)的選取

由于曹四家子水庫(kù)在運(yùn)行期間經(jīng)多次改擴(kuò)建，無(wú)原始設(shè)計(jì)資料。根據(jù)沈陽(yáng)華昌巖土工程有限公司提供的《巖土工程勘察報(bào)告》，確定壩坡穩(wěn)定計(jì)算的參數(shù)如表3所示。

2.2.2 計(jì)算工況的確定

根據(jù)大壩現(xiàn)狀的實(shí)際運(yùn)行條件和水位參數(shù)，以及《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)中的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算工況如下：

1)正常高水位57.00m，穩(wěn)定滲流期上下游坡的穩(wěn)定計(jì)算。

2)設(shè)計(jì)洪水位58.28m，穩(wěn)定滲流期上下游坡的穩(wěn)定計(jì)算[1]。

表3 土壩土料計(jì)算指標(biāo)

2.2.3 滲流穩(wěn)定計(jì)算

滲透計(jì)算的目的是為確定經(jīng)濟(jì)合理的壩體結(jié)構(gòu)尺寸提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。本次復(fù)核選取標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行計(jì)算。上游坡比為1∶2.75，下游坡比為1∶2.0，壩頂寬3.00m。

標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2.4 滲透坡降

選擇1#孔大壩斷面進(jìn)行計(jì)算。

透水地基均質(zhì)土堤坡面滲流比降計(jì)算：

P=10%，興利水位，下游無(wú)水，H2=0，參照公式(E.5.3-1-E.5.3-2)

沿滲出段AB：

(4)

沿滲出段BC：

(5)

曹四家子水庫(kù)斷面在P=10%和興利水位情況滲流計(jì)算水力坡降J，隨著x，y值的減小，水力坡降J逐漸增大，在腳點(diǎn)趨近于∞。根據(jù)毛昶熙《滲流計(jì)算分析與控制》 “在一般常見(jiàn)壩坡情況下(m2=1.5-3)，向上的危險(xiǎn)坡降區(qū)域(一般指J>0.5-0.7的區(qū)域)，大約為0.25-1.0倍的h0值?！惫蕽B出段AB和地基段BC的水力坡降有效范圍為(0.25-1.0)h0，所以在x和y等于0.25h0的情況下，滲透比降取得最大值，即：

興利水位：大壩壩體水力坡降：JAB=0.28；

大壩壩基水力坡降：JBC=0.25；

P=10%：大壩壩體水力坡降：JAB=0.32；

大壩壩基水力坡降：JBC=0.28。

查地質(zhì)報(bào)告試驗(yàn)資料經(jīng)計(jì)算得：

JAB=(G-1)(1-n)=1.067；

JBC=(G-1)(1-n)=0.88；

壩體部分安全系數(shù)為1.5，壩基部分安全系數(shù)為2；

J允許AB=1.067/1.5=0.7；

J允許BC=0.88/2=0.44。

經(jīng)計(jì)算曹四家子水庫(kù)：

興利水位：大壩壩體水力坡降：JAB=0.28， 小于允許值，為安全。

大壩壩基水力坡降：JBC=0.25，小于允許值，為安全。

P=10%：大壩壩體水力坡降：JAB=0.32，小于允許值，為安全。

大壩壩基水力坡降：JBC=0.28，小于允許值，為安全。

通過(guò)以上計(jì)算可知，曹四家子水庫(kù)大壩滲漏量很大，滲透比降滿足要求。

3 泄水建筑物

曹四家子水庫(kù)溢洪道是水庫(kù)唯一的泄洪建筑物。溢洪道位于左岸岸邊，為無(wú)閘門控制的開敞式溢洪道，結(jié)構(gòu)形式：原設(shè)計(jì)由進(jìn)口段、溢流堰、陡槽及消能工組成。

現(xiàn)狀溢洪道堰型為寬頂堰，堰頂高程57.00m，堰體長(zhǎng)20m，堰凈寬原設(shè)計(jì)為8m，現(xiàn)狀人為造成堰凈寬15m。堰體段邊墻為漿砌石重力式擋土墻，墻高3.00m，墻頂寬0.5m，底寬1.8m。陡槽長(zhǎng)30m，底坡為0.14。陡槽邊墻亦為漿砌石重力式擋土墻，墻高1.8m，墻頂寬0.5m，底寬1.0m。溢洪道消能工采用底流消能，池深1.3m，池長(zhǎng)11.00m，池寬15m。消力池邊墻為漿砌石重力式擋土墻，墻高3.7m，墻頂寬0.5m，底寬2.5m。溢洪道底板為0.3m厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)狀消力池破損嚴(yán)重。

3.1 溢洪道新建工程布置

現(xiàn)狀溢洪道較寬，本次設(shè)計(jì)考慮不同寬度進(jìn)行調(diào)洪演算，綜合比較壩高和溢洪道造價(jià)，最終選擇12m寬。

本次初步設(shè)計(jì)，新建溢洪道進(jìn)口段、控制段、陡槽段、消力池段和下游尾水渠。

進(jìn)口段：進(jìn)口段高程56.50-57.00m，墻頂高程為60.00m，墻頂寬0.30m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

控制段：堰型為寬頂堰，堰頂高程57.00m，墻頂高程60.00m，堰體長(zhǎng)度10m。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

陡槽段：底坡為0.14。墻頂高程59.00-53.40m，墻頂寬0.30m，。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

消力池段：消力池斜坡比1∶3，消力池深2.00m，消力池水平長(zhǎng)11.00m。

下游尾水渠：渠道為土渠，內(nèi)、外坡比為1∶2.5，底寬為12m，渠高為1m。

3.2 溢洪道特征水位與泄量關(guān)系

溢洪道各部位設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 溢洪道各部位設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)

4 水利計(jì)算

4.1 溢洪道泄流能力計(jì)算

1)溢洪道屬于寬淺式河岸開敞式溢洪道，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算公式要求，根據(jù)下列公式：

(6)

4.2 溢洪道水面線計(jì)算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253-2000),溢洪道控制段及陡槽段部分標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水位58.28m，相應(yīng)泄量為26.47m3/s，20a一遇洪水校核，校核水位58.69m，相應(yīng)泄量為40.31m3/s。溢洪道控制段及陡槽段過(guò)流斷面為矩形斷面，按非均勻流流態(tài)計(jì)算。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于大壩迎水坡護(hù)坡石為黃褐色強(qiáng)風(fēng)化巖，塊石取自溢洪道左側(cè)山體，護(hù)坡石厚僅為20cm，無(wú)碎石、砂墊層。塊石因多年風(fēng)化，質(zhì)脆易碎。故對(duì)大壩進(jìn)行了加固設(shè)計(jì),從水庫(kù)自身建設(shè)來(lái)講，由于原來(lái)水庫(kù)不能正常發(fā)揮效益，制約了自身發(fā)展。水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)后，自身建設(shè)將得到進(jìn)一步改善，真正實(shí)現(xiàn)了以水養(yǎng)水的方針。

[1]董雪,金莉.撫順地區(qū)小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固排序初探[J].吉林水利，2013(01)：36-38.

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2017-02-12

張忠國(guó)(1967-)，男，遼寧丹東人，高級(jí)工程師，從事水文測(cè)驗(yàn)整編、水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作。

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