基于王家油房水库水利计算及坝坡稳定探析

2017-11-23彭军

黑龙江水利科技 2017年10期

关键词：土坝坝坡坝顶

彭军

(辽宁省鞍山水文局，辽宁鞍山 114039)

基于王家油房水库水利计算及坝坡稳定探析

彭军

(辽宁省鞍山水文局，辽宁鞍山 114039)

由于该地区水资源比较贫乏，远远不能满足农业用水需要，这在很大程度上阻碍了农业发展，为改变这种状况，就必须兴修水利，拦蓄地表水，开发利用地表水、地下水。故修建王家油房水库，为此对该水库进行了水利计算及对坝坡稳定进行了分析。

土坝；水利计算；坝坡稳定；王家油房水库

1 概述

昌图县老四平乡王家油房水库，根据实地调查，坝址选定在太平河中游，坝址距发源地12.87km,控制面积7.04km2，距坝址2.48km上游有小(1)型水库一座，北洼子水库20a设计最大下泄洪峰流量为40.4m3/s,50a该河最大下泄洪峰流量51.2 m3/s。流域内多位于丘陵地带，河两岸为农田，河道常流水，汛期流量较大。

2 水利计算

2.1 坝高库容计算

根据坝址地形图用等高线计算法得出王家油房库容计算见表1。

其具体方法如下:

利用库区地形图,等高距按地形条件选择,本设计取1m,计算时首先量出各等高线的面积,再计算各层库容及累计库容,相邻两条等高线的体积为：

Vn=(Fn+Fn-1)/2×Hn

(1)

式中：Vn为相邻两等高线之间的体积；Fn,Fn-1为相邻两等高线对应的面积；Hn为两相邻等高线的高差。

2.2 垫底库容计算

垫底库容应满足泥沙淤积要求：

V垫=G(1+E)×T/r

(2)

式中：G—悬移质多年平均输沙量G=gF其中g为多年平均输沙模数，查《水文手册》，g=400t/km2，F为流域面积F=7.04km2，则G=gf=400×7.04=2816t；T为设计淤积年限20a；E为推移质占悬移质比重取E=20%；r为泥沙容重，r=1.4t/m3。

V垫=G(1+E)×T/r=2816×(1+20%)×20/1.4=4.83万m3

查图1 Z-V曲线，得死水位Z死=95.90m。

表1 王家油房水库水位、库容表

由上表绘出Z-V曲线，见图1。

图1 王家油房水库z-v曲线

2.3 防洪库容和设计洪水位的确定

防洪标准为20年设计，50年校核。采用概化三角形法进行调洪演算。本设计采用开敞式宽顶堰溢洪道，不设闸门，宽度取B=25m，根据宽顶堰泄流公式：

q=MBh1.5

(3)

计算不同堰上水头h时的下泄流量、滞洪库容、总水位等，列于表2。

表2 王家油房水库下泄流量、库容、水位表

用上表绘q-V滞曲线，见图2。

由qm=Qm(1-v滞/Wp)绘制qm-v滞曲线，见图2。

在图中查得最大下泄流量qm=49.55 m3/s；V滞=23.61万m3

图2 王家油房q-v滞曲线

V总=V正+V滞=20.54+.23.61=44.15万m3；

查得Z校=98.76m，堰上水头H=1.18m。

验证溢洪道宽：

B=qm/(MH1.5)=49.55/(1.5×1.181.5)=24.90m-25m；

故溢洪道宽可以取B=25m。

由上图可查得：

1)设计时的最大下泄流量：

qm设= 31.44m3/s，V设=37.26万m3。

V滞= 16.72万m3，Z设=98.45m。

2)校核时的最大下泄流量

qm=49.55m3/s，V滞=23.61万m3。

V校=44.15万m3，Z校=98.76m。

2.4 坝顶高程的计算

本设计按七级风，库面长度2.6m，坝顶高程的确定参照《小型水库工程》按下式计算

▽坝顶=▽洪+hB+δ，
▽坝顶=▽洪+d

(4)

式中：hB为风浪爬高，m，由表3查得；δ为安全超高，m，由表4查得；d为静水位以上的超高值，m，由表4查得。

表3 风浪爬高表

表4 超高表

1)正常运行时(设计洪水时)：

▽坝顶=▽洪+hb+δ=98.45+0.95+0.4=99.8m；

▽坝顶=▽洪+d=98.45+0.7=99.15m；

则正常运行时坝顶高程为99.8m。

2)非正常运用时(校核洪水时)：

▽坝顶=▽洪+hb+δ=98.76+0.95+0.3=100.01m；

▽坝顶=▽洪+d=98.76+0.5=99.26m；

则正常运行时坝顶高程为100.01m。

通过以上计算▽坝顶=100.01m。

3 土坝

3.1 坝型选择

当地黏土土料丰富，适宜建坝，为了方便于是选择碾压式均质黏土坝。

3.2 土坝的断面尺寸及构造

3.2.1 坝高

根据第一部分水文水利计算的坝顶高程，坝高由下式确定：

H坝高=▽坝顶-▽坝底=100.01-94=6.01m。

坝基可能发生沉陷，应预留沉陷高度为坝高的1.0%，所以坝高为6.07m。

3.2.2 坝顶宽度

因坝顶有通车要求，按单车道考虑，选择宽为5m。

3.2.3 坡度及护坡

1)土坝坡度：因均质土坝，坝高<15m，且坝顶宽5m，所以选上游坝坡为1∶2.5，下游坝坡为1∶2.25。

2)护坡：为了保护坝面不受风浪淘刷、漂浮物、冰冻等的破坏，防止雨水冲刷、干裂、穴居动物的破坏以及下游有水部位的波浪、冰冻和水流作用的破坏，上下游坝面都应设置护坡。上游护坡因受风浪的冲击力较大，所以采用砌石护坡。该坝坝高较小，护坡从坝顶到坝底。块石尺寸一般为30-40cm，为了防止波浪淘刷及库水位骤降时，渗水的破坏作用，护坡下应铺设反滤层。反滤层用粒径不同的2—3层无黏性土(砂、砾石、卵石或碎石)做成，每层厚度为20cm，设置两层，总厚度为40cm。下游坡采用草皮护坡，在坝坡上铺腐殖土，厚0.1-0.2m，上面种草或移植草皮[1-3]。

3)坝体防渗：均质土坝因坝体土料采用黏土，黏土透水性较小，不需另做防渗设备。

4)坝基防渗：坝基与坝体土质相同，可直接在清基后回填。清基厚度取0.4m。

5)坝基排水：因当地石料较少，为了节省石料，采用斜卧式排水设备，其顶宽1.0m，边坡与土坝下游坡相同为1∶2.25，排水设备由砂子、碎石、及块石3种材料组成。

3.3 土坝稳定计算

1)坝坡稳定分析主要考虑如下3种情况：①水库为正常高水位时，且浸润线已形成，此时渗透水压力指向下游。此时是影响下游坝坡稳定的最不利水位。故下游坝坡稳定计算，只考虑正常高水位时下游坝坡稳定即可；②上游水位处于1/3坝高时，是对上游坝坡稳定最不利的水位，所以在计算上游坝坡稳定时应按1/3坝高水位时计算；③库水陡涨陡落及地震时土坝的稳定计算。对于小型水库不必考虑[4-6]。

2)坝坡的安全系数：此工程为Ⅳ级建筑物，取Fs正=1.20，Fs校=1.05，参照《中小型水库设计》。

3.4 土坝稳定的计算

土坝稳定的计算采用条分法，因计算量大，本设计只进行下游坝坡稳定计算。具体步骤如下：

1)参照以上坝体设计和渗透计算画坝体剖面图及浸润线见图3。

2)用图解法确定用图解法确定危险圆弧滑裂面圆心的位置O1，O2。

3)以O1，O2，…，Oi，…为圆心，以OiBi为半径做一个滑动圆弧ABOi如图3，并假定厚度为1m、坝体比例尺为1∶100。

4)取分条为等宽b=0.1R，将圆弧内土体分成宽度为b的铅直土条，以OiO开始以宽度b向左右两侧量取，即得到条块中心的位置，过OiO的一条为零条，以左被分为1、2、…条，以右被分为-1、-2、…条[7-8]。

5)由图上量出每一条块中心线的各种土体高度Hi，当最后的条块的宽度去不为整数时，可近似地化为宽度为b的条块计算，即Hn=s/b。

6)计算出属于同一土体的圆弧长度Li，计算凝聚力。

7)求出Oi位置的坝坡稳定安全系数。

8)找出最危险滑弧圆的位置，计算安全系数。