五大连池市红升水库除险加固工程溢洪道设计
2012-08-16刘迪
刘 迪
（黑河市水利勘测设计院 黑龙江 黑河 164300）
1 工程概况
五大连池市红升水库位于讷谟尔河一级支流温查尔河支流上，在五大连池市兴隆乡红升村西侧1km处，距五大连池市25km。红升水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪、水产养殖等综合利用的小（Ⅰ）型水库，水库设计灌溉面积1400 亩，水库对下游红升村1000 人、3000 亩耕地及北五公路具有一定的防洪保护作用。
红升水库坝址以上控制流域面积21.5km2， 设计标准按10 年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核， 经规模复核： 校核洪水位277.98m，设计洪水位277.51m，死水位275.55m，校核总库容216.00×104m3， 设计总库容172.00×104m3， 死库容42.80×104m3。
溢洪道位于大坝右端，为开敞式溢洪道，堰宽15.0m，堰顶高程277.00m，最大泄量21.30m3/s。
2 溢洪道存在的问题
溢洪道处为冻胀土，进口及控制段已被冲毁，陡槽两侧浆砌石挡墙砌石开裂，墙体倾斜，下游消力池及海漫已被冲毁，已严重影响水库正常泄洪，危及大坝安全。 故溢洪道应拆除重建，来保证大坝的安全。
3 溢洪道工程设计
表5.2-1 溢洪道规模投资比较表
3.1 溢洪道型式及规模比较
溢洪道采取有闸控制及无闸开敞式不同堰宽进行比较，有闸控制堰宽8m，堰顶高程276.50m，开敞式溢洪道堰宽分别为12m、15m、21m，堰顶高程均为277.00m，方案比较见表5.2-1。
经方案比较，方案二投资最少，经济合理，故选方案二。
3.2 溢洪道布置方案比较
溢洪道布置方案比较表
根据工程现状，选定三个枢纽布置方案进行比较，方案一：溢洪道布置在大坝桩号0+486 处，开敞式岸边溢洪道；方案二：溢洪道布置在大坝桩号0+486 处，开敞式岸边溢洪道；方案三：溢洪道布置在大坝桩号0+450 处。
经方案比较，方案三经济合理，投资最少，故选方案三。
3.3 工程布置及结构型式
开敞式溢洪道布置在大坝桩号0+450 处， 由进口U 型槽、控制段、陡槽、消力池、海漫等组成。
进口钢筋砼U 型槽总长17.2m， 其中第一段长8.5m，底宽为17.8m，底高程275.55m，底板厚0.50m ，第二段长8.7m，底板用1:6 反坡与堰顶连接, 底宽为17.8m～15.8m， 底板厚0.50；控制段钢筋砼U 型槽长4.5m，底净宽为15m，堰顶高程277.00m， 底板厚1.0m， 堰顶上部设交通桥， 陡槽U 型槽长8.6m，底坡1/6，底宽15.8m，底高程为277.00～274.85m，底板厚0.70m；陡槽后接消力池，消力池钢筋砼U 型槽长8.8m， 底宽15.8m， 池深0.50m，底板高程274.85m，底板厚0.80m，消力池底板上布置排水孔，以减小扬压力，增强底板稳定性； 海漫采用干砌石梯形断面， 总长16.90m，底宽15.80m，边坡1:1.5，护坡护底采用30cm 厚干砌石，下设20cm 厚砾石垫层和10cm 厚粗砂垫层，底高程为275.35～275.32m。
3.4 水力计算
3.4.1 泄流能力计算
式中：Q——泄流量（m3/s）；
H0——包括行进流速在内的堰上总水头；
B——堰顶宽度，B=15m；
ε——侧收缩系数；
g——重力加速度，g=9.81m/s2；
m——流量系数。
式中：n——孔口数目;
b——孔口净宽;
k——两侧边墩形状,取k=0.7;
ε=0.98
经计算：
Qmax设计=8.93m3／s〉7.91m3／s
Qmax校核=27.3m3／s〉21.3m3／s，均满足泄量要求。
3.4.2 陡槽水力计算
①临界水深hk 及临界坡降ik
②陡槽流速及掺气水深
掺气高度hB=vh/100；h 为不考虑掺气时的水深， 水面线计算详见表5.4-2。
表5.4-2 设计状况泄槽段水面线计算成果表
表5.4-3 校核状况泄槽段水面线计算成果表
3.4.3 消能计算
（1）判别出口水面衔接形式：先按陡槽与下游尾水渠直接连接的情况计算，下游尾水渠底宽b=15.8m；m=1.5；n=0.033；i=1/500。
经计算：下游渠道首端水深ht=0.63m。
（2）判断是否需要修建消力池
式中：hc——收缩水深（m）；
α——水流动能校正系数，取1.05；
T0——由消力池底板顶面算起的总势能（m）；q——过闸单宽流量（m3/s/m）。
试算求得hc=0.18m。
式中：hc″——跃后水深（m）；
b1——消力池首端宽度（m）；
b2——消力池末端宽度（m）。
计算求得hc″=1.55m，hc″〉ht=0.63m，将发生远趋势水跃，需修建消力池。
（3）池深计算
式中：d——消力池深度（m）；
σ0——水跃淹没系数；
△Z——出池落差（m）；
hs——出池河床水深；
φ——系数，φ=0.95。
经试算：d=0.5m，σ0=1.07。
（4）消力池水平段池长计算
L水平=βLj
Lj=6.9（hc″-hc）
式中：Lsj——消力池长度（m）；
L水平——消力池水平段长度（m）；
β——水跃长度校正系数，取0.8；
Lj——水跃长度（m）。
经计算：L水平=7.50m，d=0.5m，假定的消力池池深是合适的。
3.4.4 海漫长度计算
式中：L——海漫长度（m）
K——海漫长度校正系数；
ΔH——上下游水头差；
q——海漫出口处单宽流量。
计算得L=9.56 m，取L=10m。
3.4.5 防冲槽深度计算
根据《水闸设计规范》（SL265—2001），海漫末端沟槽冲刷深度可按下式计算：
式中：dm——海漫末端沟槽冲刷深度（m）；
qm——海漫末端单宽流量（m3/s/m）；
hm——海漫末端水深（m）；
[v0]——沟槽土质允许不冲流速，取0.85（m/s）。
经计算dm=1.75m，采用防冲槽深度为dm=1.5m，采用底宽1.5m，上游坡为1:2，下游坡为1:2。
3.4.6 稳定验算
（1）土基上沿堰基底面的抗滑稳定安全系数计算公式如下：
式中：Kc——沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；
f——闸室基底面与地基之间的摩擦系数，取0.40；
ΣH——作用在闸室上的水平力之和（kN）；
ΣG——作用于闸室上的全部垂直荷载。
（2）基底应力计算公式：
式中：Pmax、Pmin——最大最小应力，kPa；
ΣG——作用于闸室上的全部垂直荷载；
ΣM——作用在闸室基底面的全部荷载对基底面垂直水流流向形心的力矩;
A——闸室基底面面积，m2；
W——闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。
堰体稳定计算按设计水位情况，计算成果见表5.4-4。
表5.4-4 堰体稳定计算成果表（水位277.51m）
由地质报告可知，闸基础为低液限粘土，地基承载力为160kpa 左右。 根据水闸设计规范（SL265-2001）规定：特殊组合基底允许应力比为2.5， 本次计算的抗滑稳定系数为3，应力比为1.33，抗滑稳定系数及基底应力均满足要求。
4 结论
红升水库溢洪道拆除重建工程是除险加固工程的重要组成部分，保证大坝的泄流能力，调节水库正常蓄水，保证大坝正常运行。
水库除险加固工程，可以从根本上解决水患，改善农业生产条件，增强抗御水旱灾害的能力，促进农村经济发展，增加农民收入，保护和改善区域防洪安全，为促进社会稳定发展、提高种植业经济效益，加快五大连池市地方政治、经济、文化等发展发挥积极作用。
［1］吕宏兴，裴国霞，杨玲霞，主编.水力学[M].北京：中国农业出版社，2002.
