滴水岩水库溢洪道除险加固设计

2015-07-25杨文军

陕西水利 2015年1期

杨文军

（重庆市水利电力建筑勘测设计研究院重庆 401120）

1 工程概况

滴水岩水库位于重庆市合川区大石镇滴水岩村，该水库除了具有农田灌溉的作用外，还具有防洪、养殖等综合效用，级别为小（二）型水库。滴水岩水库位于重庆市嘉陵江一级支流上游一小冲沟。水库坝址以上流域的面积为1.05km2，主河道长1.28km，河道平均比降44.68‰。水库正常蓄水位为250.95m，总库容为25.5万m3。冬半年即10月至次年3月平均降水量为225.4mm，占全年降水量的22.6%，夏半年即4月至次年9月平均降水量为772.0mm，占全年降水量的77.4%。

水库大坝属于均质土堤坝，坝址处的河床海拔高程约为239.0m，大坝坝顶高程253.8m，最大坝高12.8m，坝顶宽3.0m，坝顶长90m。根据水利局发布的《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）以及《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中的相关规定，此次所进行的水库工程属Ⅴ级工程，主要建筑物及次要建筑物均为5级。该水库属于均质土堤坝，洪水重现期是20年，最大的洪峰流量为21.6m3/s，设计下泄流量为14.0m3/s，校核之后洪水重现期约为200年，最大的洪峰流量为33.2m3/s，下泄流量为23.3m3/s。

本工程中溢洪道的位置正好在大坝左坝肩，溢洪道形式为开敞式，无消力池等配套设施，边墙损毁较为严重，溢洪道底板处遭受严重风化与侵蚀，再加上水流条件较差，溢洪道进口处的人行拱桥因年久失修安全性非常差。进口段起点高程为250.95m；后接收缩段，收缩段长78.13m，宽度由进口6.0m渐变至出口2.86m，收缩段后边紧连着一段天然陡坡。

2 溢洪道除险加固设计分析

2.1 设计洪水复核

水利部在2000年颁发的《水利水电工程等级划分及设计标准》（SL252-2000）中进行了明确规定，对于工程等别为Ⅴ等的小（二）型水库而言，必须结合工程保护对象及相应的工程实际进行洪水设计与复核。按照规范对滴水岩水库进行了设计洪水复核，采用标准与原设计成果是一致的，即设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇。

本水库的正常蓄水位为250.95m，相应正常库容18.4万m3。进行水库调洪设计、校核洪水的过程中完全采用坝址设计洪水过程线，设计洪水结果为P=5.0%，校核洪水标准为P=0.5%，由于本水库没有防洪限制水位，同时水库下游也没有限制泄量要求，调洪可以采用静库容水量平衡法进行计算，经计算水库设计、校核洪水位分别为252.40m和253.00m，下泄流量分别为14.0m3/s和23.3m3/s，水库容积分别为23.3万m3和25.5万m3，水库的滞洪库容（正常水位以上）分别为4.9万m3和7.1万m3。

2.2 溢洪道布置

滴水岩水库大坝溢洪道的位置在大坝左岸，属于无闸控制、开敞式正槽溢洪道型式，整段溢洪道长为96.10m，为了便于施工，将其划分为进口段、泄槽段和出口段。

位于溢洪道进口段的反坡长为13.78m，坡比为1∶2.4。进口段后便是控制段，长为23.91m，宽度6.0m渐变至5.7m，堰顶高程为250.950m设计底坡坡率为1.9%。控制段下游为泄槽段，根据溢洪道平面布置，本工程溢洪道泄槽段根据泄槽底坡不同可分为三段，上游段长23.12m，宽度5.7m渐变至4.55m，设计底坡坡率为6%。中间段长36.55m，宽度4.55m渐变至4.66m，设计底坡坡率为22.3%。出口段长12.43m，宽度4.66m渐变至3.47m，设计底坡坡率为13.3%。由于出口段后紧接自然跌水陡坎，故没有设置消力池的必要。

2.3 溢洪道水力计算

2.3.1 泄流能力计算

滴水岩水库大坝溢洪道的位置在大坝左岸，属于无闸控制、开敞式正槽溢洪道型式，进口底板高程250.95m，进口控制断面净宽6.0m。

泄流能力的计算公式如下：

式中：b——溢流净宽，m，b=12.12m；

HO——计算流速水头的堰上总水头，m，即H0=H+/2g；

表1 溢洪道泄流能力计算结果

表2 溢洪道水面线计算成果

表3 溢洪道边墙结构计算结果

H——不计算流速水头的堰上水头，m；

VO——行近流速，m/s；

m’——包含水流侧收缩影响在内的二元水流宽顶堰流量系数；

δs——淹没系数，此处取1.0；计算成果见表1。

2.3.2 溢洪道水面线计算

按照《溢洪道设计规范》（SL253—2000），泄槽水面线由能量方程采用分段求和法推算，校核下泄流量按23.3m3/s计。计算公式：

式中：hc——临界水深，m；

α——流速不均匀系数，取1.05；

q——单宽流量，m3/s；

g——重力加速度，m/s2；

l1-2——分段长度，m；

h1——分段始端面水深，m；

h2——分段末端面水深，m；

v1——分段始端面平均流速，m/s；

v2——分段末断面平均流速，m/s；

α1、α2——流速不均匀系数；

θ——泄槽底坡角度；

i——泄槽底坡，i=tgθ；

n——泄槽槽身糙率系数；

我们可以用不掺气水深h推求掺气水深hb，公式如下：hb=（1+ξv/100）h。

按照上述规范的规定，安全加高的合理取值应为0.5m。水面线计算结果见表2。

从上表可知，经过修整与整治后本水库溢洪道的过流能力完全满足要求，而且溢洪道边墙高度也满足《溢洪道设计规范》要求。

2.3.3 溢洪道边墙布局的确定

式中：KC——抗滑稳定安全系数；

f——作用于边墙与基岩接触面间的抗剪摩擦系数；

∑W——作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；

∑P——作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的切向分量。

通过对溢洪道变强布局结构的确定，可以进而进行边墙结构稳定的复核，此时假定最大墙高2.79m为典型计算断面。计算时应该选取最不利的工况，即边墙外溢洪道内无水，且墙背有土压力作用，并且墙后有地下水作用。计算参数依照类似工程参数值取用：地基抗剪摩擦系数f=0.4，地基容许承载力500kPa，墙体容重24kN/m3；回填土料：c=12kPa，φ=22°，γ=19.0kN/m3，计算成果见表3。

从上述计算结果可以看出，边墙抗滑稳定基本满足要求：最大压应力＜地基所容许的承载力，基底不可能出现拉应力；合力偏心距＜基础底面宽度的1/4，故而抗倾覆稳定性也满足要求。

溢洪道除险加固施工过程中，土方采用人工开挖，人工清除淤泥。浆砌条石拆除采用钢钎、二锤直接撬挖，人工挑抬至渣场。考虑到施工安全与效果，溢洪道边墙外的浆砌条石应进行人工安砌。所选用的石料由施工人员在车辆的辅助下，从堆料场挑抬至工作场，而砂浆由拌合机拌制而成。