苇子沟水库溢洪道除险加固设计

陈延生

(海城市水利工程建设质量安全监督站，辽宁 海城114200)

1 概 况

海城市苇子沟的溢洪道从建库以来经过多年运行机制情况良好。但是溢洪道从建库以来经过多年运行情况良好，但由于该库初建时溢洪道浆砌石量较大和投资所限，施工当时只进行堰顶衬砌，陡坡段衬砌和浆砌石消力池，因此消力池进口浆砌石护底局部已坏。溢洪道导水墙基浅，且浆砌部分薄弱，已在墙下有分离现象，底板破损严重。溢洪较大时会有轻度冲刷，坍塌现象。溢洪道出口左侧山头坡度较陡影响洪水渲泄，为了使水流畅通，故将左侧山头和局部边坡较陡部位进行削坡，溢洪道消力池出口右侧坝脚在泄洪时有被冲和淹没的可能。

2 设计方案

本次加固设计针对苇子沟水库现状存在的问题及除险加固设计原则，采用下述除险加固方案:溢洪道基础与挡墙进行处理，溢洪道进口做一钢筋混凝土截水墙，截水墙深入黏土1 m，底板改造为钢筋混凝土结构，挡墙部分拆除重建，消力池拆除重建［1］。

3 设计与计算

3.1 溢洪道加固设计

溢洪道底板拆除重建，布置参照原设计;溢洪道进口做一截水墙，墙厚0.5 m，深入黏土层1.0 m。溢洪道右侧边墙引水渠段采用浆砌石挡土墙，控制段及泄槽段桩号0 +000 －0 +036 采用重力式混凝土挡土墙;溢洪道左侧边墙控制段及泄槽段桩号0 +000 －0 +036 采用重力式混凝土挡墙，泄槽段桩号0+036 －0 +078 采用浆砌石挡土墙。

3.2 溢洪道水力计算

3.2.1 进口宽顶堰泄流能力计算

泄流能力按《水力工程设计计算手册》无底坎宽顶堰泄流进行计算:

式中:Q 为流量，m3/s;B 为总净宽，m;H0为计入流速水头的堰上总水头，m;m 为宽顶堰流量系数，取1.48;ε 为侧收缩系数，取1.0。

溢洪道计算泄流能力曲线见表1。

表1 苇子沟水库溢洪道水位～泄量曲线复核成果表

溢洪道防洪标准为10 a一遇洪水设计，20 a一遇洪水校核。设计洪水最大泄量为37.4 m3/s，相应库水位为20.42 m;校核洪水最大泄量为53.3 m3/s，相应库水位为20.76 m。溢洪道根据多年运行经验仍采用消力池消能。

3.2.2 水面线计算

3.2.2.1 水面线计算

泄槽水面线根据能量方程，用分段求和法计算，根据《溢洪道设计规范》(SL253—2000)附A.3公式:

式中:△l1－2为分段长度，m;h1、h2为分段始、末断面水深，m;v1、v2为分段始、末断面平均流速，m/s;α1、α2为流速分布不均匀系数，取1.05;θ 为泄槽底坡角度，°;i 为泄槽底坡，i = tgθ;为分段内平均摩阻坡降;n 为泄槽槽身糙率系数;分段平均流速，=(v1+ v2)/2 ，m/s;为分段平均水力半径，= (R1+ R2)/2 ，m。

根据《水力计算手册》要求，当水流通过泄水建筑物时的断面平均流速大于6 ～7 m/s时，则需要考虑掺气影响。泄槽的掺气水深可按下式估算:

式中:h、hb为泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m;v 为不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s;ζ为修正系数，可取1.0 ～1.4 s/m，流速大者取大值。

3.2.2.2 泄槽挡土墙顶高程的计算

根据规范要求，泄槽挡土墙顶高度=校核水位泄槽水面线+A。

式中:A 为安全超高，规范要求安全超高为0.5 ～1.0 m，取0.5 m。

泄槽水面线及挡土墙顶高程计算结果，见表2。

表2 溢洪道泄槽边墙顶高程计算成果表 m

3.2.3 消能计算

现有消力池长度16.5 m，宽度15 m，与陡槽末端有跌坎相连，跌坎高度2.6 m，池深为0.93 m。根据《中小型水库设计》:校核流量53.3 m3/s，陡槽末端水深0.44 m，流速8.04 m/s。

3.2.3.1 泄水渠正常水深计算

i =0.0006，n =0.025，b =15，m =4

设水深为1.93 m。

ω = (b + mh)h =43.8 m

x = b +2h(1 + m2)1/2=30.9

R = ω/x =1.4

查谢才系数c =42

Q = ωcR1/2i1/2=53.7 m3/s

与校核流量相符，故取h =1.93 m。

下游水深加池深为:1.93 +0.93 =2.86 m

3.2.3.2 消力池水跃计算

式中:To 为断面的能量，m;ω1为收缩断面的过水断面积，m2;h＇为收缩断面水深，m;ψ 为流速系数，一般可取0.9 ～0.95;h＇ =0.4 m。

式中:h″为跃后断面水深;q 为单宽流量;h″ =2.73 m

式中:Lk为消力池长度;lⅡ为水跃长度，m;β =0.8;l1为收缩断面离开跌坎的距离。

式中:p 为跌坎高度，m;Ho 为上游水头，m;l1=6.26 m，Lk= l1+ βlⅡ=15.85 m

跃后水深2.73 m ＜2.86 m，为淹没式出流，实际池深符合要求，实际消力池长度大于计算长度0.65 m，原长度符合要求。

3.2.4 海漫长度计算

河道现有宽度15 m，与消力池末端相连。根据《中小型水库设计》:

式中:Lp 为护砌长度，m;K 为渠床土质系数，砂壤土K =12;△Z 为上下游水头差，校核水位减下游水位高程=8.24 m;q 为海漫单宽流量，m3/s;尾水渠护砌长度Lp =38.3 m。

取尾水渠护砌长度39 m。

3.3 溢洪道改造设计

3.3.1 原溢洪道挡墙稳定复核

溢洪道进口边墙断面、距进口处55.3 m断面、距进口处85.3 m 断面，挡墙高分别为3.83 m、3.54 m、2.7 m。

挡土墙的抗滑稳定计算公式如下:

式中:Kc 为抗滑稳定安全系数;∑W 为作用于墙体上的全部垂直力总和，kN;∑P 为作用于墙体上的全部水平力的总和，kN;f 为墙底摩擦系数。

挡土墙的抗倾稳定计算公式如下:

式中:K0为抗倾稳定安全系数;∑MV为抗倾覆力距总和，kN· m;∑MH为倾覆力距总和，lkN· m;

挡土墙基底压应力计算公式如下:

式中:σmax、σmin为基底的最大和最小压应力，kPa;∑G为垂直荷载，kN;A 为底板面积，m2;∑M为荷载对底板形心轴的力矩，kN· m;W 为底板的截面系数，m3;稳定计算成果见表3。

表3 稳定计算成果表

3.3.2 结构计算分析

3.3.2.1 挡土墙挡土墙的抗滑稳定计算公式如下:

式中:Kc为抗滑稳定安全系数;∑W作用于墙体上的全部垂直力总和，kN;∑P为作用于墙体上的全部水平力的总和，kN;f 为墙底摩擦系数。

挡土墙的抗倾稳定计算公式如下:

式中:K0为抗倾稳定安全系数;∑MV为抗倾覆力距总和，kN· m;∑MH为倾覆力距总和，kN· m，

挡土墙基底压应力计算公式如下:

式中:σmax、σmin为基底的最大和最小压应力，kPa;∑G为垂直荷载，kN;A 为底板面积，m2;∑M为荷载对底板形心轴的力矩，kN· m;W 为底板的截面系数，m3。

计算成果见表4。

表4 稳定计算成果表

计算结果表明，挡土墙抗滑、抗倾及基础应力均满足要求。

3.3.2.2 泄槽底板抗浮稳定计算

根据复核意见，溢洪道底板剥蚀严重，凿除0.3 m厚混凝土，再浇筑0.3 m钢筋混凝土底板。根据《中小型水库设计》第547 页，计算陡槽末端底板的稳定性。

3.3.2.3 刺墙渗径计算

根据《水工建筑物》计算公式为:

式中:L 为刺墙防渗长度，m;H 为上、下游水位差，m;校核水位减堰顶高程=20.76 －19.71 =1.59 m;C 为渗径系数。黏土取4L=4.77 m，取5 m。

3.3.3 交通路恢复工程

交通路为沥青路面，水泥稳定砂砾层厚度0.20 m，沥青路面厚度0.08 m，长度85 m，宽4 m。

［1］马丹. 水库溢洪道除险加固工程设计思路［J］. 水利科技与经济，2010(02):157 －158.