水库溢洪道除险加固设计与计算分析

陈　威

(绥中县大中型水库移民后期扶持工作办公室，辽宁 绥中 125200)



水库溢洪道除险加固设计与计算分析

陈威

(绥中县大中型水库移民后期扶持工作办公室，辽宁 绥中 125200)

摘要：李金水库位于绥中县大王庙镇境内小黄村王宝河支流上，是以调洪、灌溉为主，供水、养鱼为辅的小(1)型水库。目前水库溢洪道存在着安全隐患，急需除险加固建设。文章对李金水库溢洪道的除险加固进行设计与计算分析，为水库溢洪道除险加固提供基础依据，达到消除水库安全隐患，确保水库安全运行。

关键词：水库；溢洪道；除险加固；水面线；消能计算

1水库概况

李金水库位于绥中县大王庙镇境内小黄村王宝河支流上，是以调洪、灌溉为主，供水、养鱼为辅的小(1)型水库。

李金水库位于王宝河支流上，该支流发源于大王庙乡黄羊村老秦家北五花大顶，发源地至入河口全长56.50 km，坝址以上河长15.70 km，控制流域面积29.20 km2，河道比降24.10‰。水库始原设计标准为50 a一遇，校核标准为500 a一遇。原设计中死水位109.50m，死库容44.22 万 m3；正常高水位118.00，正常高水位库容397.09 万 m3；设计洪水位122.45m，设计洪水位库容736.23 万 m3；校核洪水位124.55 m，校核洪水位库容930.19 万 m3。

水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水洞3部分组成。土坝为黏土心墙砂壳坝，溢洪道为开敞式宽顶堰。目前，李金水库主要建筑物大坝、溢洪道、灌溉输水隧洞等工程均存在着程度不一、或大或小危及工程安全的问题，致使水库工程一直在带病运行[1]。

2溢洪道除险加固方案

根据水库溢洪道现状以及存在的主要问题，本着实事求是，有险除险有病除病的原则，既要彻底除险加固又要经济安全，便于施工，最终确定溢洪道需做以下除险加固处理：将溢洪道右侧山体进行削坡处理，清除风化岩，达到稳定坡度，并进行护坡衬砌，长度为48m，高8.00m；左侧山体逐年风化，有滑坡、脱落的危险，长度为67.00m，高度为8.00m拟采取削坡处理，削坡坡度为1∶0.5，并进行锚杆、挂网、混凝土喷锚处理[2]。

对陡槽段进行衬护处理。溢洪道底岩石风化全部清除，溢洪道底部采用混凝土找平，长56.00 m，约0.20 m厚，上部采用C25F150混凝土护底，厚0.30 cm，混凝土表面布设直径ф12的钢筋，间距尺寸为20 cm×20 cm。溢洪道出口为底流式消能，为了防止下泄水流淘刷，新建消力池长31.00m，池深1.60m。增加导墙长度，溢洪道右侧已有导墙与山体之间没有连接上，根据测量需增加长度57m,为混凝土结构，顶宽0.50m，高4.20m，背侧边坡为1：0.4，基础宽3.18m。

3除险加固设计与计算分析

按现有溢洪道宽度16.00m进行调洪演算，现有大坝高度满足30 a一遇洪水设计，300 a一遇洪水校核的标准，所以按现状宽度，不足部位要加宽到16.00m，计算控制堰的水位与流量关系[3]。

3.1溢洪道布置

李金水库溢洪道没有引水渠，堰型为宽顶堰，长10m，陡坡段为56m，分2级陡坡，第一级陡坡长28m，比降为0.168，第2级陡坡长28m，比降为0.27。在泄槽段增设边墙，长57m，采用混凝土结构。出口为底流式消能，设消力池，池深1.60m，长为31.0m。

3.2水面线计算

根据《溢洪道设计规范》SL253—2000的规定，进行水面线计算[4]。

3.2.1泄槽首端断面h1的确定

泄槽上游接宽顶堰，起始计算断面定在泄槽首端，水深h1取用泄槽首端的临界水深hk。

(1)

式中：q为单宽流量，m2/s；α为流速分布不均匀系数，采用1.05。

泄流量计算公式：

(2)

式中：Q为溢洪道设计标准下泄流量，m3/s；q为单宽流量，m3/s；B为溢流堰宽度，m；h为堰后收缩水深，m；H为堰上水深，m；v为行近流速，m/s；n取0.02。

根据计算公式，经计算首端槽首部断面水深h1的结果详见表1。

表1　首端槽首部断面水深h1表

3.2.2陡槽水面线计算

两段陡槽都采用矩形断面，底板混凝土衬砌n=0.02，泄洪陡槽按30 a一遇洪水标准设计，300 a一遇洪水校核。陡槽水面线根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式为：

(3)

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1.0；θ为陡槽底坡角度，°；i陡槽底坡，i=tgθ；J为分段内平均摩阻坡降。

3.2.3陡槽2起始断面计算

(4)

式中：H0为起始计算断面渠底以上总水头，m；θ为泄槽底坡坡角，m；φ为流速系数，取0.95；g为重力加速度。

根据计算公式，经计算第2陡槽3hk断面水深h1的结果详见表2。

表2　第2陡槽3hk断面水深h1表

3.2.4泄槽段水流掺气水深计算

泄槽段水流掺气水深按照公式为：

Hb=(1+ξv/100)h

(5)

式中：h、Hb为泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m；ξ为修正系数，取1.2s/m；v为不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s。

根据计算公式，计算结果如表3和表4。

表3　第1陡槽P=0.33%时水面线计算表

表4　第2陡槽P=0.33%时水面线计算表

3.3消能计算

李金水库溢洪道泄槽属于陡坡跌水，尾水渠低于跌坎，不可能出现高序列流态，一般利用消力池作底流消能，结合溢洪道尾水槽设计，本工程采用底流消能型式[5]。消能防冲标准取10 a一遇洪水，泄量为114.84 m3/s。

3.3.1判断是否需要建消能工

水跃参数按下式计算：

(6)

式中：hc为收缩水深；h″c为跃后水深；α为水流动能修正系数，采用1.05；q为过闸单宽流量；T0为由消力池底板顶面算起的总势能；φ为流速系数,取0.95；b1为消力池首端宽度，b1=16.00m；b2为消力池末端宽度，b2=25.00m。

下游尾水渠水力计算按明渠均匀流公式计算，计算成果见表5，水跃计算成果见表6。

表5　消力池下游河道水力计算表

表6　水跃计算成果表

根据表6计算，需要修建消力池。

3.3.2消力池深度确定

消力池深度按下式计算：

(7)

消力池计算结果见表7。

表7　消力池池深、池长计算成果表

3.3.3消力池长度确定

消力池长度按下式计算：

Lj=6.9(h″c-hc)

Lsj=Ls+βLj

(8)

式中：Lsj为消力池长度；Ls为消力池斜坡段水平投影长度；H0为堰顶以上水头；P为从池底算起的堰高；m为过堰流量系数；β为水跃长度校正系数，采用0.75；Lj为水跃长度。

经计算，消力池总长度为31.00m，池深为1.60m。

3.4溢洪道泄槽边墙结构计算

溢洪道泄槽靠大坝一侧导流墙采用重力式混凝土结构，挡土墙最大高度4.20m，底板长2.68m，立墙厚0.50～2.18m，底板厚0.50m，挡土墙根据泄槽底板设置沉降缝，缝间设止水[6]。

3.4.1抗滑稳定计算

(9)

式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；f为闸室基底面与基础摩擦系数，取0.50；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载；∑H为作用在闸室上的全部水平向荷载。

3.4.2基底应力计算

(10)

式中：Pminmax为挡土墙基底应力的最大值或最小值；∑G为作用在挡土墙上的全部竖向荷载；L为挡土墙垂直水流方向的长度；B为挡土墙顺水流方向的长度；e为偏心矩；∑M为作用于挡土墙各力对底板前趾的稳定力矩；∑M0为作用于挡土墙各力对底板前趾的倾覆力矩。

挡土墙计算成果见表8。

表8　挡土墙计算成果表

经计算，挡土墙各工况抗滑稳定计算均满足规范要求，完建期基底最大应力不大于地基允许承载力的1.2倍，其他各工况基底应力均满足规范要求。

3.5泄槽底板布置

泄槽底板分块：纵缝3道，中间1道，边墙与底板连接处各1道，横缝与边墙相同。

泄槽底板止水：纵横缝均采用平缝，缝内设橡胶止水1道。

泄槽底板纵横排水系统：纵横排水均采用尺寸400mm×400mm盲沟，盲沟内填碎石，其中纵向排水3道，起始于溢流堰，沿底板纵向分缝延伸至溢洪道尾端。横向排水间距与底板分缝对应，并与纵向排水连接形成完整封闭排水体系[7]。

3.6溢洪道建筑物基础处理

整个溢洪道均坐落在岩基上，其特征承载值较高，因此新建建筑仅需将强风化层清除，在原岩面浇注混凝土即可，不需对基础作任何处理。

4结论

李金水库溢洪道泄槽属于陡坡跌水，根据水库地位情况，工程采用底流消能型式。通过对水库溢洪道的除险加固工程设计与计算分析，工程除险加固采用次设计实施后，消除了水库溢洪道病险情况，能够保障水库安全度汛，进一步发挥其经济效益、生态效益和社会效益，为发展新农村及城镇化建设提供有力保障。

参考文献：

[1]陈建中.小型水库溢洪道除险加固工程设计[J].城市建设理论研究，2012年第34期.

[2]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.

[3]陈皓，朱晓玲，吴益.浙江省东阳市东方红水库溢洪道除险加固工程设计[J].水利水电工程设计，2012年01期.

[4]中华人民共和国水利部.SL253—2000灌洪道设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2000.

[5]项伟.海龙川水库大坝除险加固设计与计算[J].黑龙江水利科技，2014(12)：177-179.

[6]袁莹.北镇市龙门水库除险加固工程设计分析[J].黑龙江水利科技，2014(11)：154-156.

[7]陈延生.苇子沟水库大坝除险加固设计[J].黑龙江水利科技，2014(12)：160-163.

中图分类号：TV651.1；TV697.3

文献标识码：B

[作者简介]陈威(1975-)，男，辽宁绥中人，工程师，研究方向为水利工程、河道、水土保持、水资源等。

[收稿日期]2016-01-14

文章编号：1007-7596(2016)03-0028-04