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        某病險(xiǎn)水庫(kù)工程溢洪道整治設(shè)計(jì)方案應(yīng)用研究

        2020-06-23 09:35:46賈慶穩(wěn)
        關(guān)鍵詞:消力池邊墻溢洪道

        賈慶穩(wěn)

        (遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110003)

        我國(guó)不僅是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),同時(shí)也是一個(gè)水利大國(guó),已建的大中小型水庫(kù)數(shù)量眾多,這些水庫(kù)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展中扮演了舉足輕重的角色[1-3]。近年來(lái),由于早期修建的水庫(kù)逐步步入“老齡化”,特別是早期修建的各類(lèi)中小型水庫(kù),水利工程結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題日益凸顯,給水利水電工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn),是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[4]。在眾多水利工程結(jié)構(gòu)中,溢洪道作為最重要的泄水建筑物,對(duì)大壩下游的防洪保安,以及對(duì)大壩壩體的保護(hù)均起著非常重要的作用[5]。

        綜合分析現(xiàn)有的相關(guān)文獻(xiàn)及研究成果[6-9],發(fā)現(xiàn)主要集中在大壩體的整治方案研究,特別是壩體的滲流穩(wěn)定方面[10],而對(duì)溢洪道整治和設(shè)計(jì)計(jì)算的研究還不多,有待于進(jìn)一步深入開(kāi)展關(guān)于溢洪道有關(guān)工程結(jié)構(gòu)安全的相關(guān)研究。鑒于此,本文以某水庫(kù)溢洪道工程為例,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查測(cè)量分析,首先研究分析了該溢洪道的現(xiàn)狀特點(diǎn),并進(jìn)一步指出該溢洪道目前存在的各類(lèi)問(wèn)題,進(jìn)而根據(jù)實(shí)際問(wèn)題提出相應(yīng)的整治設(shè)計(jì)方案,并最終通過(guò)經(jīng)典水力學(xué)公式對(duì)整治方案進(jìn)行驗(yàn)證。

        1 工程概況

        某水庫(kù)工程始建于20世紀(jì)70年代,樞紐工程主要由大壩、溢洪道、放水設(shè)施等水工結(jié)構(gòu)組成。但是由于年久失修的問(wèn)題,且長(zhǎng)時(shí)間在各類(lèi)外界條件作用下,水庫(kù)樞紐工程的各類(lèi)水工結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了不同程度的老化甚至結(jié)構(gòu)變形。由于本次研究對(duì)象為溢洪道,因此僅對(duì)溢洪道工程進(jìn)行簡(jiǎn)述。

        該水庫(kù)溢洪道位于壩體的左端,為開(kāi)敞式正槽溢洪道。溢洪道堰頂高程371.85 m,斷面形式為矩形,邊墻為直墻型,采用漿砌條石結(jié)構(gòu)。進(jìn)口段長(zhǎng)度4.60 m,過(guò)水?dāng)嗝?.00 m×1.60 m(寬×高),底板高程371.85 m;第二段為平緩段,長(zhǎng)度78.60 m,過(guò)水?dāng)嗝?.20 m×1.60~1.40 m(寬×高),末端底板高程371.13 m,比降i=0.01;第三段為陡槽段,長(zhǎng)度17.70 m,末端底板高程363.95 m,比降i=0.358;溢洪道尾端修建5.50 m長(zhǎng)消力池,過(guò)水?dāng)嗝?.00 m×2.00 m(寬×高)。

        經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查,發(fā)現(xiàn)溢洪道局部邊墻條石風(fēng)化嚴(yán)重,條石之間砂漿脫落。陡槽段及消力池段局部垮塌嚴(yán)重,影響使用。溢洪道內(nèi)淤積嚴(yán)重,雜草叢生,如果遇到暴雨泄洪工況,將直接阻礙泄洪。溢洪道為漿砌條石砌筑,邊墻襯砌存在風(fēng)化、砂漿脫落等現(xiàn)象,陡槽段及消力池段等已出現(xiàn)坍塌不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)使用要求。

        2 溢洪道初步整治方案分析

        2.1 溢洪道泄洪能力計(jì)算

        根據(jù)已經(jīng)批復(fù)的溢洪道整治設(shè)計(jì)方案,建議將溢洪道凈寬b整改為2.80 m,同時(shí)通過(guò)計(jì)算來(lái)復(fù)核其泄流能力。由于該溢洪道堰型屬于寬頂堰(2.5≤δ/H<10),溢洪道泄流能力按泄流公式(1)計(jì)算[11]:

        (1)

        式中:Q為泄流流量,m3/s;ε為孔流垂直收縮系數(shù),考慮側(cè)收縮影響,ε取為0.98;σs為淹沒(méi)系數(shù),取1.0;m為流量系數(shù),取0.37;b為溢洪道凈寬,取2.80 m;H0為溢洪水深,m。計(jì)算得到相應(yīng)泄流流量3.42 m3/s,大于200 a一遇洪水相應(yīng)的泄流流量3.02 m3/s,故溢洪道整治設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足要求。

        2.2 溢洪道水面線(xiàn)計(jì)算

        2.2.1 計(jì)算參數(shù)

        邊墻高度的驗(yàn)算以校核水位為控制工況。整治后200 a一遇校核洪水位372.60 m,相應(yīng)下泄流量3.02 m3/s。以此作為設(shè)計(jì)依據(jù),復(fù)核溢洪道泄洪槽段的體形尺寸。

        2.2.2 計(jì)算公式

        泄槽段水面線(xiàn)按式(2)、式(3)進(jìn)行計(jì)算[12]:

        (2)

        (3)

        該溢洪道邊墻高度的驗(yàn)算以校核水位作為控制工況。同時(shí),以下泄流量3.02 m3/s作為設(shè)計(jì)依據(jù),復(fù)核溢洪道泄洪槽段的體形尺寸。水流摻氣水深計(jì)算公式如式(4)所示[13-16]:

        (4)

        式中:h、hq為斷面的初始水深及摻氣水深,m;v為不摻氣的流速,m/s;ξ為修正系數(shù),可取1.0~1.4 s/m,流速大者取大值。

        根據(jù)水利工程相關(guān)規(guī)范要求,對(duì)溢洪道水面線(xiàn)及邊墻頂高程進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),溢洪道采用的邊墻高度應(yīng)等于摻氣水深與安全超高之和。根據(jù)以上式(2)~式(4),選取了兩個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算,分別為斷面0+008.50 m和0+095.10 m。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所示。分析可知,兩斷面的計(jì)算水深分別為0.37 m和0.13 m,而摻氣后水深增至0.38 m和0.14 m,加上安全超高后分別為0.88 m 和0.64 m,均小于現(xiàn)狀的邊墻高度,滿(mǎn)足200 a一遇洪水泄洪要求。

        2.3 溢洪道加固設(shè)計(jì)

        參考上述溢洪道的泄流能力以及水深和邊墻高度的計(jì)算結(jié)果,初步擬定了以下溢洪道整治設(shè)計(jì)除險(xiǎn)加固方案。

        (1)進(jìn)口段、泄槽段(溢0-004.6~溢0+082.04)。為解決邊墻砂漿脫落等問(wèn)題,溢洪道進(jìn)口段及泄槽段邊墻采用C20混凝土澆筑,澆筑前采用砂漿錨桿和鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。值得注意的是,在溢洪道整治前需要對(duì)溢洪道現(xiàn)有的淤積層、風(fēng)化層進(jìn)行清除。

        (2)陡槽段(溢0+082.04~溢0+095.10)。拆除原漿砌條石,陡槽段底坡1∶2,邊墻高1.00 m,采用C25混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu),頂寬0.3 m,背坡坡比1∶0.3。

        (3)消力池段(溢0+095.10~溢0+100.10)。

        表1 溢洪道整治后陡槽段邊墻設(shè)計(jì)成果

        根據(jù)整治設(shè)計(jì)方案,需拆除原有的消力池,重新修建的消力池尺寸長(zhǎng)5.00 m,深0.60 m,凈寬2.80 m,底板采用40 cm厚C25鋼筋混凝土澆筑;邊墻墻高1.60 m,采用C25鋼筋混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu),頂寬0.30 m,背坡坡比1∶0.3,墻后采用土石回填。

        2.4 消能防沖復(fù)核

        根據(jù)《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》 SL 252—2017,對(duì)于5級(jí)溢洪道建筑物,其設(shè)計(jì)洪水的重現(xiàn)期為10 a。故本溢洪道工程的消能防沖設(shè)施設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按10 a一遇洪水計(jì)算,消能防沖設(shè)施的設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期頻率P=10%。對(duì)超過(guò)消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水,允許消能防沖建筑物出現(xiàn)部分破壞。根據(jù)調(diào)洪計(jì)算成果,P=10%,對(duì)應(yīng)的下泄流量為1.21 m3/s。消力池長(zhǎng)度和深度計(jì)算過(guò)程如下。

        (1)自由水躍共軛水深計(jì)算如式(5)、式(6)所示:

        (5)

        (6)

        式中:h′為躍前水深,m;h″為躍后水深,m;v1為收縮斷面流速,m/s;Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)。

        (2)水躍長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,如式(7)所示:

        L=6.9(h″-h′)

        (7)

        式中:h′為躍前水深,m;h″為躍后水深,m。

        (3)溢洪道下游渠道水深計(jì)算如式(8)所示:

        (8)

        式中:A為泄水?dāng)嗝婷娣e,m2;R為水力半徑,m;C為謝才系數(shù);i為明渠底坡度。

        經(jīng)復(fù)核計(jì)算,重新修建的消力池尺寸為L(zhǎng)=5.00 m,h=0.60 m,滿(mǎn)足消能防沖要求。

        3 結(jié) 論

        針對(duì)該溢洪道現(xiàn)狀及使用要求,提出了以下整治方案:(1)溢0-004.6~溢0+082.04為整治段,邊墻采用10 cm混凝土護(hù)面,底板采用20 cm C20混凝土襯砌;(2)陡槽段及消能段(溢0+082.04~溢0+100.10)為拆除重建,邊墻采用重力式擋墻,底板采用30 cm、40 cm厚C25鋼筋混凝土襯砌;(3)消力池需拆除重建,重新修建的消力池尺寸長(zhǎng)5.00 m,深0.60 m,凈寬2.80 m,邊墻墻高1.60 m。最終通過(guò)水力計(jì)算復(fù)核,證明了本水庫(kù)的溢洪道整治設(shè)計(jì)方案是合理可行的。

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