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        商洛市洛南縣東湖水庫溢洪道設計及分析

        2021-07-15 08:50:18朱少文
        陜西水利 2021年6期
        關(guān)鍵詞:翼墻消力池東湖

        朱少文

        (西安景天水利水電勘測設計咨詢有限公司,陜西 西安 710014)

        1 引言

        溢洪道是東湖水庫的重要組成部分,由進口段、連接段、控制段、泄槽段、消能段和尾水渠段組成。東湖水庫建設于1958年,工程竣工后交付永豐鎮(zhèn)東湖村委會管理,有3名管理人員。工程運行60多年來,對緩解灌區(qū)用水矛盾,增加抗御自然災害能力,保護人民生命財產(chǎn)安全,促進當?shù)剞r(nóng)業(yè)增產(chǎn)和保證社會穩(wěn)定發(fā)揮了重大作用。但由于水庫工程質(zhì)量較差,建成蓄水以來,樞紐工程問題較多,水庫效益難以發(fā)揮,直接影響灌區(qū)農(nóng)民經(jīng)濟收入。

        2 工程概況

        東湖水庫始是一座以灌溉為主,并兼有防洪功能的小(2)型水利樞紐工程。東湖水庫壩址以上控制流域面積2.5 km2,主溝長約2.5 km,河床平均比降16.9‰。東湖水庫原設計水庫總庫容45萬m3,正常蓄水位214.60 m,設計洪水位215.00 m,校核洪水位215.90 m,興利庫容39萬m3;東湖水庫除險加固后水庫總庫容47.62萬m3,正常蓄水位1095.50 m,設計洪水位1096.90 m,校核洪水位1097.70 m,興利庫容27.05萬m3。

        東湖水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、放水設施等組成。

        大壩為黏土心墻壩?,F(xiàn)狀壩頂高程1098.40 m,最大壩高16.20 m,壩頂長105 m,寬5 m,大壩迎水坡比1∶2.77,干砌石砌護,上部2 m高度無干砌石砌護,背水坡坡比1∶2.5,下游壩坡堆積雜物頂寬9 m,堆積坡比1∶1.6,坡面無排水設施和無排水體。

        原設計溢洪道位于大壩右岸,為梯形開敞式溢洪道,溢洪道采用寬頂堰型式,堰長20 m,堰寬2.7 m,溢洪水深1.0 m,溢洪量為30 m3/s,溢洪道開挖在粘土上,比降為1/20,溢洪道進口被回填變成道路,下游無消能防沖設施。

        3 水文

        3.1 流域概況

        東湖水庫于1958年12月竣工,是一座以灌溉為主,并兼有防洪功能的小(2)型水庫。水庫位于洛南縣永豐鎮(zhèn)東湖村。東湖水庫壩址以上控制流域面積2.5 km2,主溝長約2.5 km,河床平均比降16.9‰。

        3.2 氣象

        水庫所處位置屬于暖溫帶南緣季風性濕潤氣候。由于群山連綿,起伏懸殊,具有明顯山區(qū)氣候特征。季風影響明顯。冬季氣候寒冷,雨雪稀少,為一年中干燥季節(jié);春季氣溫回升較快,降水逐漸增多,如果伴有大風,土壤蒸發(fā)加劇,極易形成春旱,當寒潮入侵時,往往出現(xiàn)凍害;夏季是一年中最高氣溫季節(jié),也是降水量最大的季節(jié),雨量集中,多有雷陣雨、暴雨出現(xiàn),有時伴有冰雹,有時還出現(xiàn)局部伏旱和夏旱;秋季氣溫速降,初期多有連陰雨,常常形成澇災,末期偏少,天氣晴朗,秋高氣爽??偟臍夂蛱攸c是:四季分明,氣候溫和,雨量充足,夏無酷暑,冬無嚴寒。

        3.3 徑流

        東湖水庫所在流域無實測徑流資料,東湖水庫壩址以上控制流域面積為2.5 km2。采用多年平均徑流深經(jīng)驗公式法,根據(jù)《商洛地區(qū)實用水文手冊》(以下簡稱《水文手冊》)多年平均年徑流深等值線圖和Cv等值線圖查得東湖水庫以上流域中心的多年平均年徑流深為270 mm。變差系數(shù)Cv=0.6,取Cs=2Cv,采用P-Ⅲ型頻率分布曲線,求的多年平均徑流量為67.5萬m3。

        3.4 洪水

        東湖水庫流域內(nèi)無水文站和雨量站,屬無資料地區(qū)。同時,水庫無觀測資料,無法利用水庫觀測資料反推入庫流量。因此借用《水文手冊》進行設計洪水推求。本次洪峰流量采用匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法和暴雨資料推求法計算分析,最終選擇暴雨資料推求法計算結(jié)果作為本次設計洪峰流量依據(jù),即200 a一遇洪峰流量為54.4 m3/s,20 a一遇洪峰流量為27.5 m3/s。

        3.5 泥沙

        經(jīng)實測,目前東湖水庫淤積高程為1087.10 m,工程運行60多年,水庫總淤積量1.1萬m3,多年平均淤積0.02萬m3。

        4 溢洪道設計

        4.1 溢洪道布置

        1)溢洪道軸線選擇

        根據(jù)現(xiàn)狀地形地質(zhì)條件,大壩左岸為光伏產(chǎn)業(yè)園,不具備布設溢洪道條件,右岸壩肩為山體,周圍無重要建筑物及設施,僅有一條上壩道路,該處修建溢洪道,需修建跨溢洪道橋,建成后,庫水可敞泄至下游。

        綜上考慮,將溢洪道布置于大壩右岸,新建溢洪道由進口段、連接段、控制段、泄槽段、消能段和尾水渠段組成,全長140.0 m。

        2)溢洪道進口高程選擇

        溢洪道進口高程選擇愈低愈有利于泄洪,但進口過低,則因開挖量大而增加投資,且會導致興利庫容減少,水庫效益難以發(fā)揮,直接影響灌區(qū)的正常灌溉。溢洪道進口是倒坡,進口高程取1095.50 m。

        3)進口段(K0+000~K0+014)

        進口段采用曲面導水墻形式,右側(cè)導墻長15 m,左側(cè)長13 m,底板傾向上游,坡比i=0.01,矩形斷面型式,寬度由6 m漸變至3 m,兩側(cè)翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進行澆筑,厚度為0.3 m,墻頂與校核洪水位協(xié)調(diào)一致,底板前后設置齒槽,厚度為0.3 m,進口處齒槽深1.0 m,與連接段銜接處齒槽深0.5 m。為降低擋土墻后地下水位,減少靜水壓力,在擋墻上設置排水孔,排水管采用Φ50PVC管,布置一排,排水孔距離底板0.5 m。

        4)連接段(K0+014~K0+019)

        本次設計在進水口彎道段與控制段之間設置連接段,以保證水流平順進入控制段,連接段長5 m,矩形斷面型式,寬度為3 m,兩側(cè)翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進行澆筑,厚度為0.3 m,底板前后設置齒槽,齒槽深0.5 m,厚度為0.3 m。墻頂由校核洪水位漸變至與壩頂高程齊平。邊墻設Φ50PVC排水孔,布置方式與進口段一致。

        5)控制段(K0+019~K0+025)

        新建溢洪道控制段采用開敞式無坎寬頂堰,堰厚6 m,寬3 m,堰頂高程是1095.50 m,墻頂高程是1098.40 m,壩頂高程為1098.40 m,墻頂高程和壩頂高程齊平。矩形斷面形式,寬度為3 m,兩側(cè)翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進行澆筑,厚度為0.3 m,底板前后設置齒槽,齒槽深0.5 m,厚度為0.3 m。邊墻設Φ50PVC排水孔,布置方式與進口段一致。

        6)泄槽段(K0+025~K0+125)

        泄槽段坡比i=0.18,矩形斷面形式,寬度為3 m,兩側(cè)翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進行澆筑,厚度為0.3 m,翼墻高度隨水面線由高到低減變,每10 m設置一道伸縮縫,縫寬2 cm,采用聚乙烯泡沫板填充。翼墻設Φ50PVC排水孔,布置方式與進口段一致。

        7)消能段(K0+125~K0+135)

        樁號K0+125~K0+135為消能段,其形式為底流消能,消力池為等寬矩形,采用C25鋼筋砼進行澆筑,池寬3 m、池深1.0 m、池長10 m,翼墻高2.1 m,墻身設Φ50PVC排水孔,布置方式與進口段一致;底板結(jié)構(gòu)為30 cm厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),底板設Φ50PVC排水孔,孔距2.0 m,呈梅花型布置,底部設30 cm厚砂礫石反濾層。

        8)尾水渠段(K0+135~K0+140)

        樁號(K0+135~K0+140)為尾水渠段,矩形斷面形式,寬度為3 m,兩側(cè)翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進行澆筑,厚度為0.3 m,底板末端設置齒槽,齒槽深1.0 m,厚0.3 m。墻身設Φ50PVC排水孔,布置方式與進口段一致。

        4.2 溢洪道水力計算

        1)控制段泄流能力計算

        溢洪道堰型采用無坎寬頂堰,堰寬為3.0 m,堰厚為6.0 m,校核洪水位1097.70 m,設計洪水位1096.90 m,堰頂高程1095.50 m,根據(jù)工程實際情況,堰泄流公式采用《溢洪道設計規(guī)范》中A.2.3式:

        式中:m為流量系數(shù),與相對上游堰高P1/H及堰頭形式有關(guān),本工程為無坎寬頂堰,其值查《溢洪道設計規(guī)范》中表A.2.3-1取0.385;ε為側(cè)收縮系數(shù),采用《溢洪道設計規(guī)范》中A.2.3-2式計算;B為堰寬,b=3.0 m;H0為堰前計入行進流速水頭的堰上總水頭,取H0=H,H為堰頂凈水頭。

        設計水位及校核水位時泄洪能力,見表1。

        表1 溢洪道泄洪能力計算表

        根據(jù)水庫調(diào)洪演算要求:設計泄量Q=8.6 m3/s,校核泄量Q=16.8 m3/s。

        2)泄槽段水力計算

        泄槽段長100 m,坡比i=0.18,按設計流量及校核流量兩種工況進行計算,即設計下泄流量Q=8.6 m3/s,校核下泄流量Q=16.8 m3/s,糙率取n=0.017。采用分段求和法逐段推算水力要素,確定泄槽斷面。

        摻氣水深采用《溢洪道設計規(guī)范》,公式hb=(1+ζv/100)h,hb為計入波動及摻氣的水深(m),h為不計入波動及摻氣的水深(m),v為不計入波動及摻氣的計算斷面上的平均流速(m/s),ζ為修正系數(shù),一般取ζ=1.0 s/m~1.4 s/m。按設計流量及校核流量兩種工況計算。

        設計墻高采用校核工況時的設計成果,兩側(cè)砌護高度為摻氣后水深0.5 m安全超高。

        3)出口底流消能

        出口消能段采用底流消能,為下挖式消力池。消力池的設計標準為P=5%洪水標準,即以設計工況時對應的洪水為消力池的設計標準,設計工況下下游水位為0.56 m,下游河床高程為1078.40 m。

        消力池的結(jié)構(gòu)尺寸計算按等寬矩形斷面下挖式消能計算公式進行?!兑绾榈涝O計規(guī)范》中(A.5.3-1、A.5.3-2、A.5.3-3)公式:

        d=σh2-ht-Δz

        Lk=0.8L

        式中:d為消力池深,m;σ為水躍淹沒度,可取σ=1.05;h2為池中發(fā)生臨界水深時的躍后水深,m;Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù);h1為收縮斷面水深,m;v1為收縮斷面流速,m/s;ht為消力池出口下游水深,m;Δz為消力池尾部出口水面跌落,m;Q為流量,m3/s;b為消力池寬度,m;Δz為消力池出口段流速系數(shù),可取0.95;L為自由水躍的長度,L=6.9(h2-h1),其中,h1為收縮斷面水深。

        消力池計算結(jié)果見表2。

        表2 消力池計算結(jié)果

        由以上計算結(jié)果結(jié)合高程實際情況,消力池長度取10.0 m,尾坎寬0.3 m,消力池深度按結(jié)構(gòu)及地形取為1.0 m。

        5 結(jié)語

        東湖水庫除險加固工程的實施,對保障水庫安全運行及下游防洪安全,提高農(nóng)業(yè)灌溉供水保證率,增加當?shù)剞r(nóng)業(yè)收入,穩(wěn)定農(nóng)業(yè)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展,改善生態(tài)和投資環(huán)境,促進地區(qū)經(jīng)濟持續(xù)增長等方面具有積極意義。建議工程盡早實施,讓項目區(qū)群眾早日受益,為當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展做出貢獻。

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