二甲溝水庫溢洪道工程設(shè)計(jì)

曲洪雷，蘭朝臣

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

1 工程概況

二甲溝水庫位于哈爾濱市通河縣富林鄉(xiāng)以北6.50 km，松花江左岸一級支流富拉渾河干流中游，壩址以上流域面積185 km2。庫區(qū)及樞紐工程全部位于通河縣境內(nèi)。

二甲溝水庫是一座以農(nóng)田灌溉為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游等綜合利用的中型水利樞紐工程，水庫總庫容7 605萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積1.31萬hm2。

水庫樞紐工程主要由攔河壩、鞍部溢洪道、灌溉洞等組成。

2 溢洪道設(shè)計(jì)

2.1 規(guī)模確定

根據(jù)二甲溝水庫興利規(guī)模及汛限水位，初擬溢洪道堰頂高程143.50 m、144.50m、145.50 m，堰寬4.0 m、6.0 m、8.0 m、10.0 m，共12個(gè)方案進(jìn)行溢洪道規(guī)模比較，比較結(jié)果見表1。

表1 溢洪道方案比較表

根據(jù)以上比較結(jié)果，方案堰寬4 m、堰頂高程145.50 m投資最低，考慮二甲溝水庫為中型水庫，選擇4 m堰寬，跟國內(nèi)同規(guī)模水庫比較，相對較小;同時(shí)，水庫洪水主要靠溢洪道宣泄，堰寬太小，溢洪道超泄能力弱，水庫安全度相對較低?？紤]以上原因，在水庫投資增加不大的情況下，選擇堰寬相對較大的方案。因此本階段推薦堰寬8 m，堰頂高程145.50 m的方案為溢洪道規(guī)模選定方案。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

溢洪道為開敞式鞍部溢洪道，溢洪道軸線距右壩端約220 m，閘室兩側(cè)與山體相連。溢洪道由進(jìn)口引渠、平直段、閘室、陡坡段、挑流段、尾水渠組成。

引水渠長35.0 m，底高程144.50 m，寬8.0 m。

進(jìn)口平直段采用鋼筋混凝土“U”型槽結(jié)構(gòu)，長12.0 m，底板頂高程144.50 m，凈寬8.0 m，墻頂高程150.90 m。

閘室段采用鋼筋混凝土“U”型槽結(jié)構(gòu)，總凈寬8 m，分1孔，閘室順?biāo)鞣较蜷L15 m。采用駝峰堰，堰頂高程145.50 m，邊墩寬1.5 m，墩頂高程150.90 m。設(shè)平板工作門與平板檢修門，均采用卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。墩頂設(shè)交通橋，寬6.0 m，橋面高程150.90 m。邊墩與山體間設(shè)一道鋼筋混凝土刺墻，墻頂高程為150.90 m，刺墻底部位于弱風(fēng)化花崗巖，刺墻下布置帷幕灌漿，與閘室帷幕灌漿連接成整體。

陡坡段長72 m，起點(diǎn)高程142.98 m，斷面為矩形，底寬8 m，陡坡比降1∶5，陡坡兩側(cè)為衡重式擋墻，擋墻頂高程按陡坡水面線加摻氣高度和超高后確定，陡槽底部為鋼筋混凝土底板，擋墻后及底板下布置排水系統(tǒng)。

挑流段長15 m，反弧半徑10 m，挑角 20°，鼻坎頂高程127.00 m。

尾水渠長663 m，起點(diǎn)底高程125.50 m，比降 1∶500，寬8.0 m。

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.3.1 堰型設(shè)計(jì)

堰型采用駝峰堰，根據(jù)定型設(shè)計(jì)水頭和堰高關(guān)系，選擇a型堰面曲線，上游堰高1.0 m，中圓弧半徑2.5 m，上下圓弧半徑6.0 m。

2.3.2 泄流能力計(jì)算

泄流能力計(jì)算采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253－2000)中，開敞式駝峰堰的泄流能力公式計(jì)算:

式中:Q為流量，m3/s;B為溢流堰總凈寬，B=8m;n為閘孔數(shù)目，n=1;g為重力加速度，m/s2;H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭，m;ζk為邊墩形狀系數(shù)，取ζk=0;ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù);m為流量系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算:設(shè)計(jì)情況，Q計(jì)算=106m3/s，Q設(shè)計(jì)=93m3/s;校核情況Q計(jì)算=179m3/s，Q設(shè)計(jì)=155m3/s，泄洪能力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.3 泄槽水面線計(jì)算

泄槽水面線根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式為:式中:Δ1－2為分段長度，m;h1、h2為分段始、末斷面水深，m; v1、v2為分段始、末斷面平均流速，m/s;α1、α2為流速分布不均勻系數(shù)，取1.05;i為泄槽底坡，i=1:5;θ為泄槽底坡角度;n為泄槽槽身糙率系數(shù);為分段平均流速，m/s;為分段平均水力半徑，m;為分段內(nèi)平均摩阻坡降。

起始斷面水深h1可按下式計(jì)算:

式中:q為起始計(jì)算斷面單寬流量，m3/(s·m);H0為起始計(jì)算斷面渠底以上總水頭，m;θ為泄槽底坡角度;φ為起始計(jì)算斷面流速系數(shù)，取0.95。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 泄槽水面線計(jì)算成果表

2.3.4 挑流消能計(jì)算

挑流水舌外緣挑距按下式計(jì)算:

式中:L為自挑流鼻坎末端起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m;θ為挑流水舌水面出射角，取θ=20°;h1為挑流鼻坎末端法向水深，m;h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m; v1為鼻坎坎頂水面流速，m/s，按鼻坎處平均流速v的1.1倍計(jì)。

鼻坎平均流速按下式計(jì)算:

式中:v為鼻坎末端斷面平均流速，m/s;Z0為鼻坎末端斷面水面以上的水頭，m;φ為流速系數(shù);hf為泄槽沿程損失，m; hj為泄槽各項(xiàng)局部損失水頭之和，m;S為泄槽流程長度，m;q為泄槽單寬流量，m3/(s·m)。

沖刷坑最大水墊深度按下式計(jì)算:

式中:T為自下游水面至坑底最大水墊深度，m;q為鼻坎末端斷面單寬流量，m3/(s·m);Z為上、下游水位差，m;K為綜合沖刷系數(shù)，取k=1.1。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 挑流計(jì)算成果表

沖坑上游坡比為1∶3.7，能夠滿足規(guī)范要求。

2.3.5 控制段穩(wěn)定分析

堰基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下列抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算:

式中:K為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f'為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，取f'=0.8;c'為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力，取c'=0.7Mpa;ΣW為作用于堰體上的全部荷載對計(jì)算滑動(dòng)面的法向分量;ΣP為作用于堰體上的全部荷載對計(jì)算滑動(dòng)面的切向分量;A為堰體與基巖接觸面的截面積。

計(jì)算了工程完建期、正常蓄水位擋水和校核洪水泄洪三種工況，成果見表4。

表4 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253—2000)要求，按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算的允許最小安全系數(shù)，基本組合〔K〕=3.0，特殊組合〔K〕=2.5，計(jì)算結(jié)果均大于規(guī)范允許最小值，閘室抗滑穩(wěn)定能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3 基礎(chǔ)處理和排水

溢洪道基礎(chǔ)為弱風(fēng)化花崗巖，考慮在閘室及刺墻下布置一排帷幕灌漿，并向兩側(cè)山體各延伸8 m，擬定帷幕灌漿的孔距為1.5 m，深度為8.0 m。根據(jù)物探成果，有2條構(gòu)造破碎帶分別位于閘室、陡坡段，采用回填混凝土塞的方法處理。

為減弱閘室基底揚(yáng)壓力，在帷幕灌漿下游3 m處設(shè)置一排排水孔，孔深5 m，孔距1.5 m。為減弱滲水對陡坡段底板和邊墻的滲透壓力，在底板底部和擋土墻后設(shè)置縱橫溝槽式碎石排水，構(gòu)成縱橫排水系統(tǒng)，縱向排水通向挑流鼻坎下面，將滲水排向下游。

4 安全監(jiān)測

4.1 變形監(jiān)測

包括垂直、水平位移監(jiān)測，共設(shè)置位移觀測點(diǎn)10個(gè)，兩岸設(shè)4個(gè)工作基點(diǎn)和4個(gè)校核基點(diǎn)。

4.2 滲流監(jiān)測

選擇閘室軸線布置1個(gè)滲流觀測斷面，共設(shè)置4支滲壓計(jì)(揚(yáng)壓力計(jì))，用來監(jiān)測溢洪道的揚(yáng)壓力。

4.3 水位觀測

分別在堰前、閘室段、陡坡段及出口段設(shè)水尺以觀測水位，共設(shè)水尺5根。

［1］水利部天津水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.SL253—2000溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［2］黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省通河縣二甲溝水庫項(xiàng)目建議書報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2010.