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        冊(cè)田水庫(kù)正常溢洪道水力計(jì)算

        2019-07-05 11:33:54
        山西水利 2019年4期
        關(guān)鍵詞:段長(zhǎng)洪水位溢洪道

        李 敏

        (山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)

        1 工程概況

        冊(cè)田水庫(kù)位于山西省大同縣境內(nèi),屬海河流域,永定河水系,是桑干河干流上山西省出境處的控制性工程。冊(cè)田水庫(kù)下游為官?gòu)d水庫(kù),壩址以上控制流域面積1.67萬(wàn)km2,占官?gòu)d水庫(kù)以上總流域面積的38.5%。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容5.8億m3,水庫(kù)樞紐工程由大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、漿砌石重力壩等組成。水庫(kù)任務(wù)是供水、灌溉和防洪,水庫(kù)位于官?gòu)d水庫(kù)和北京市上游,位置十分重要,水庫(kù)的安危直接關(guān)系到北京市和下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的安危。

        冊(cè)田水庫(kù)工程于1958年開(kāi)始修建,1970年進(jìn)行二期擴(kuò)建工程,至1976年完成了土壩和正常溢洪道的施工,擴(kuò)建后壩頂高程達(dá)到961.5m,最大壩高為41.5m。水庫(kù)工程屬大(二)型,工程等別為Ⅱ等,主要建筑物大壩、正常溢洪道、非常溢洪道均為2級(jí)。由于運(yùn)行多年,水庫(kù)各建筑物存在諸多問(wèn)題,不滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范和運(yùn)行要求,需要對(duì)冊(cè)田水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

        2 除險(xiǎn)加固后正常溢洪道的情況

        溢洪道是洪水期間保證水庫(kù)安全的重要建筑物,當(dāng)水庫(kù)水位超過(guò)安全限度時(shí),水從溢洪道向下游泄出。因此,正常溢洪道的除險(xiǎn)加固,是冊(cè)田水庫(kù)除險(xiǎn)加固的重要部分。

        水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位957.57m時(shí),正常溢洪道的泄量為1659m3/s;校核洪水位960.04m時(shí),正常溢洪道的泄量為1859m3/s。正常溢洪道泄槽泄流能力演算,按校核洪水位及其泄量進(jìn)行。

        正常溢洪道由閘前防滲段、閘室控制段、泄槽段、消能段組成。正常溢洪道的基礎(chǔ)為玄武巖地層,位于大壩左壩肩處,除險(xiǎn)加固后全長(zhǎng)492.7m(樁號(hào)0-111—0+381.7),其中:

        閘前防滲段長(zhǎng)18m(樁號(hào)0-111—0-093),寬度38.6m;

        閘室控制段長(zhǎng)28m(樁號(hào)0-093—0-065),總寬度38.6m。閘室設(shè)4孔帶胸墻的泄洪孔口,孔口寬8m,高6m,中墩厚2.2m。堰頂高程為943.3m,閘墩頂高程961.5m。閘孔由4扇8m×6m弧形工作門(mén)控制,工作門(mén)前設(shè)疊梁檢修門(mén)。

        泄槽段長(zhǎng)411.7m(樁號(hào)0-065—0+346.7),原設(shè)計(jì)寬度40.2m,除險(xiǎn)加固后泄槽寬度調(diào)整為39.6m。

        消能段長(zhǎng)35m(樁號(hào)0+346.7—0+381.7),采用差動(dòng)式挑流鼻坎消能,消能沖刷坑在玄武巖地層中,消能后入桑干河。

        表1 正常溢洪道泄槽底坡統(tǒng)計(jì)表

        3 正常溢洪道計(jì)算

        3.1 收縮水深的計(jì)算

        正常溢洪道泄流方式,按折線型實(shí)用堰及寬頂堰閘孔(或胸墻)出流考慮,堰下收縮水深斷面,位于樁號(hào)0+002處。

        收縮水深hc的計(jì)算參考《水力計(jì)算手冊(cè)》公式(4-2-1)進(jìn)行。

        式中:E0——以下游河床為基準(zhǔn)面的泄水建筑物上游總水頭(下游河床高程為941.67m,閘前校核洪水位為960.04m,E0=18.37m);

        q——收縮斷面處的單寬流量,q=1859/39.6=46.94m3/(s·m);

        g——重力加速度9.8m/s2;

        φ——流速系數(shù),參照《水力計(jì)算手冊(cè)》表4-2-1,折線型實(shí)用堰及寬頂堰閘孔(或胸墻)出流,取0.8。

        經(jīng)多次試算得:hc=3.429m

        3.2 泄槽段水面線推算

        泄槽水面線推算參考《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253),根據(jù)能量方程,用分段求和法計(jì)算。

        泄槽水面線計(jì)算公式如下:

        式中:ΔL——分段長(zhǎng)度,m;

        h1、h2——分段始末斷面水深,m;

        θ——泄槽底坡角度;

        α1、α2——流速分布不均勻系數(shù),取1.05;

        v1、v2——分段始末斷面平均流速,m/s;

        g——重力加速度9.8m/s2;

        i——泄槽底坡;

        Jˉ——分段內(nèi)平均摩阻坡降;

        n——泄槽槽身糙率系數(shù),取n=0.014;

        起始計(jì)算斷面樁號(hào)為0+002,起始水深為收縮斷面水深,h1=3.429m,流量為1859m3/s,糙率n=0.014,泄槽寬B=39.6m。水面線推算結(jié)果見(jiàn)表2。

        3.3 泄槽段水流摻氣水深計(jì)算

        泄槽段水流摻氣水深可采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式(A.3.2)

        表2 正常溢洪道泄槽水面線推算結(jié)果表

        式中:hb——摻氣后的水深(計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3),m;

        ξ——修正系數(shù)(1.0~1.4s/m),計(jì)算取1.2s/m;

        v——不摻氣情況下泄槽計(jì)算斷面的流速,m/s;

        h——泄槽計(jì)算斷面的水深。

        表3 計(jì)入摻氣后正常溢洪道泄槽水面線推算結(jié)果表

        4 結(jié)論

        根據(jù)對(duì)正常溢洪道水面曲線推算出的摻氣后水深,加上1.0m的安全超高,計(jì)算出的側(cè)墻高度均低于除險(xiǎn)加固后實(shí)際的側(cè)墻高度,正常溢洪道能泄掉校核洪水位時(shí)多余的水量,滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求,能保證水庫(kù)的安全運(yùn)行。

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