水库坝顶高程计算示例剖析

张之成，苏长刚

(牡丹江市水务科学研究院，黑龙江牡丹江 157000)

水库坝顶高程计算示例剖析

张之成，苏长刚

(牡丹江市水务科学研究院，黑龙江牡丹江 157000)

介绍了水库土坝坝顶高程确定的分析及计算方法。阐述示例工程概况，利用莆田实验站公式来计算波浪的平均波高和平均波周期和风壅水面高度。

工程概况;波浪爬高;风壅水面高度;安全加高

1 工程概况

本文以黑龙江省林口县东风水库为实例，对水库土坝坝顶高程计算进行分析。水库控制流域面积107 km2，总库容180万m3，是一座以灌溉、防洪为主，兼顾养鱼、旅游等综合利用的小(1)型水库。

该工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，洪水标准采用10 a一遇洪水设计，50 a一遇洪水校核。其设计洪水位为98.66 m，相应库容为64万m3。校核洪水位为100.65 m，相应库容为130.9万m3。

2 坝顶高程确定

2.1 设计基本资料

2.1.1 风速资料

风速采用林口县气象站实测资料，汛期内不利风向常出现为与坝轴线法线方向成21.7°的东北(EN)风和成0.8°的东北东(ENE)风。汛期多年平均最大风速见表1。

表1 水库汛期陆地最大设计风速一览表

2.1.2 库面风速计算

气象站隐蔽情况的影响系数k1=1.6，气象站所在地的地形高低的影响系数k2=1.0。设计情况采用多年平均最大风速的1.5倍，校核情况采用多年平均最大风速。

库面风速计算主要参数指标为：

V10为距地面10 m高处的风速，m/s;K=0.9为风速仪距地面的换算系数;Vh为陆地设计最大风速，m/s;V设计=1.5Vk;Vk为多年平均最大设计风速，m/s;K1=1.6为气象台隐蔽情况系数;K2=1.0为气象台所在地形变化影响因素。

用K1×K2=1.6和VO查“水工设计手册”第四册，求得水面设计风速。风速计算成果见表2。

2.1.3 水面吹程

东风水库水面较规整，从比例为1/1000地形图上量得，10 a一遇设计洪水情况下EN向风区长度为837 m，ENE向风区长度为518 m。50 a一遇较核洪水情况下EN向风区长度为928 m，ENE向风区长度为529 m。

表2 东风水库风速计算成果表 m/s

2.1.4 地震烈度

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)，工作区地震动峰值加速度＜0.05 g，地震基本烈度值＜Ⅵ度。可不进行抗震计算。

2.2 坝顶超高计算

2.2.1 风浪要素计算

波浪平均波高及平均周期根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)附录中莆田实验站公式来计算波浪的平均波高和平均波周期：

式中：hm为平均波高，m;Tm为平均波周期，s;W为计算风速，m/s，设计情况采用多年平均最大风速1.5倍，校核情况采用多年平均最大风速;D为风区长度，m;Hm为水域平均水深，m;g为重力加速度，取9.81 m/s2。

平均波长计算公式为：

对于深水波，即当Hm≥0.5 Lm公式可简化为：

式中：Lm为平均波长，m;H为坝迎水面前水深，m。本次采用为深水波公式计算平均波长。

2.2.2 波浪爬高计算

正向来波的平均波浪爬高计算公式为：

式中：Rm为平均波浪爬高，m;KΔ为斜坡的糙率渗透系数，按《碾压式土石坝设计规范》附表A.1.12-1确定，砌石护坡KΔ=0.77;KW为经验系数，按《碾压式土石坝设计规范》附表A.1.12-2确定;m为单坡的坡度系数，取m=2.5。

按上式计算得平均波浪爬升高度后，按照该工程建筑物级别为4级，依据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001中A.1.11规定，选取其波列累积概率为5%的爬高值R5%。无论设计还是校核情况hm/H＜0.1，所以R5%=1.84Rm。

2.2.3 风壅水面高度计算

式中：e为计算点处的风壅水面高度，m;D为风区长度，m;K为综合摩阻系数，取3.6×10-6;β为计算风向与坝轴线法线的夹角，°。

2.3 坝顶高程确定

坝顶高程=库区静水位+Y(坝顶超高)

式中：Y为坝顶起高，m;R为最大波浪在坝坡上的设计波浪爬高，m;e为最大风壅水面高度，m;A为安全加高，m。

设计情况：A=0.5 m，校核A=0.3 m。

按设计和校核分别进行东风水库坝顶超高计算。详见表 3、表 4。

3 结语

设计洪水确定坝顶高程=98.66+1.25=99.91 m;

校核洪水确定坝顶高程=100.65+0.85=101.50 m;当设计洪水与校核洪水两种情况分别计算出坝顶高程后，取其大值做为土坝顶高程，即101.50 m。

［1］陈明致，顾滏臣.土坝设计：上册［M］.北京：水利电力出版社，1978.

［2］牡丹江市水利勘测设计研究院.牡丹江市林口县东风水库安全影响评价报告［R］.牡丹江：牡丹江市水利勘测设计研究院，2010：91-95.

TV131

B

1007-7596(2011)06-0074-02

2011-08-25

张之成(1968-)，男，黑龙江汤原人，工程师;苏长刚(1981-)，男，黑龙江牡丹江人，工程师。

表3 东风水库设计情况下超高计算表(p=10%)

表4 东风水库校核情况下超高计算表(p=2%)