堆石體折線型實(shí)用低堰穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

王小玲 周自力 陶雪輝 歐 健

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

堆石體折線型實(shí)用低堰在山區(qū)和丘陵區(qū)引水工程中應(yīng)用廣泛，多為修建年代久遠(yuǎn)，土法上馬，無(wú)設(shè)計(jì)資料，加之對(duì)這類堰無(wú)完整的設(shè)計(jì)規(guī)范，給安全評(píng)價(jià)工作帶來(lái)較大困難。通過(guò)某水閘的安全鑒定工作實(shí)踐，收集和分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料和文獻(xiàn)，較完整地整理出一套堆石體折線型實(shí)用低堰穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算方法，供同類型工程設(shè)計(jì)和安全復(fù)核工作參考。

該閘控制集雨面積1 192 km2。經(jīng)復(fù)核設(shè)計(jì)洪水下泄流量為3 000 m3/s，校核下泄流量為3 940 m3/s，目前實(shí)際引水灌溉面積為1 478 hm2（22 170畝），是一座以灌溉為主的大（Ⅱ）型水閘工程。

1 堆石體折線型實(shí)用低堰穩(wěn)定計(jì)算

某水閘溢流堰軸線長(zhǎng)625 m，其中堆石體折線型實(shí)用低堰長(zhǎng)416 m，最大堰高3 m，堰頂寬（2～3.5）m，堰底寬（9～11）m，堆石體折線型實(shí)用低堰為木樁堆石堰，河床表部分布有 （6～8.5）m厚的砂卵礫石層，筑堰前對(duì)河砂卵礫石層未作任何清除，僅打入木樁堆石而成。由于修建年代已久，木樁完全腐朽，對(duì)穩(wěn)定堰體不再起作用，故在穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算時(shí)不考慮木樁作用。

根據(jù)該水閘堆石體折線型實(shí)用低堰的基礎(chǔ)和堰體的實(shí)際情況，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料進(jìn)行分析，堰體安全復(fù)核應(yīng)對(duì)其堰頂和下游坡石塊進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核，復(fù)核計(jì)算理論及公式采用D.斯蒂芬森的堆石水力穩(wěn)定理論及公式較為符合實(shí)際情況。

1.1 堰頂塊石穩(wěn)定復(fù)核[1]

堰頂沖刷流速：

式中d——石塊代表尺寸；

S——石塊的相對(duì)密度；

θ──堰頂與水平線的夾角；

tanφ──堆石間的摩擦系數(shù)；

v——沖刷流速；

g——重力加速度。

本工程堰頂為水平，且φ約35°，則得出允許的堰頂流速為：

式中V2——堰頂允許流速；

d——石塊代表尺寸，本工程d取0.2 m；

s——本工程石塊為卵石，s取2.7；

設(shè)計(jì)工況：

設(shè)計(jì)泄量Q=3 000 m3/s，堆石溢流堰單寬流量q=4.81 m3/s-m，上游水位y1=175.645 m，堰頂高程h=172.5 m。

堰頂水深：

V＞V2，不滿足石塊穩(wěn)定要求。

校核工況：

校核泄量Q=3 940 m3/s，堆石溢流堰單寬流量q=6.21 m3/s-m，上游水位176.467 m。

V＞V2，不滿足石塊穩(wěn)定要求。

1.2 堆石堰頂長(zhǎng)度復(fù)核[1]

自由溢流最大流量約為600 m3/s，此時(shí)堆石溢流堰單寬流量q=1.03 m3/s-m。

保證穩(wěn)定所需最小長(zhǎng)度：Lmin=3yc=1.43 m

堰頂實(shí)際長(zhǎng)度L=3 m

L＞Lmin，堆石堰頂長(zhǎng)度滿足穩(wěn)定要求。

1.3 堆石體下游坡角穩(wěn)定復(fù)核[1]

本工程 φ 約 35°（取 35°），則

最大自由泄量為600 m3/s，此時(shí)堆石體單寬流量q=1.03 m3/s-m。

當(dāng)q=0.5 m3/s-m時(shí)，由于q較小，采用圖解法驗(yàn)算：

查圖（φ=35°），得 θ=7.86°

下游現(xiàn)狀坡角θ1為：

θ＜θ1，故現(xiàn)狀坡角不能滿足下游坡穩(wěn)定要求。

2 溢流堰消能防沖穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

堆石溢流堰長(zhǎng)416 m，堰頂高程172.5 m，堰頂長(zhǎng)度3 m，斜坡段7.5 m，下游河床高程170.5 m，河床為砂卵礫石，不沖刷流速為0.57 m/s，因歷史原因下游未設(shè)任何消能防沖設(shè)施（消力池及護(hù)坦）。

本次消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，泄量為3 380 m3/s。

2.1 底流消能工計(jì)算[2]

計(jì)算公式：

（1）消力池躍后水深計(jì)算公式。

式中 hc──收縮斷面水深；

其中b——消力池寬度；

φ′——水流自消力池出流的流速系數(shù)，φ′=0.95；

ht——下游水深。

（3）消力池長(zhǎng)度計(jì)算。

Lk=0.8 Lj

式中Lk——消力池長(zhǎng)度；

Lj──為水躍長(zhǎng)度。

當(dāng) 1.7＜Fr1≤9.0 時(shí)： Lj/hc=9.5（Frc-1）

當(dāng) 9.0＜Fr1＜16 時(shí)： Lj/hc=8.45（Frc-9）+76

（4）計(jì)算結(jié)果與結(jié)論。

該樞紐為低水頭閘壩工程，大流量洪水情況下，上下游落差極小，接近天然流態(tài)，經(jīng)計(jì)算僅在Q=100 m3/s以下，需要修底流消力池（計(jì)算池深為0.27 m），因此該工程應(yīng)設(shè)置底流消力池。

2.2 沖坑復(fù)核計(jì)算

下游河床為沙卵礫石，河床不沖流速[V0]為0.57，河床沖刷深度按 《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2001）有——收縮斷面弗汝德數(shù)；

q——收縮斷面處單寬流量

（2）消力池深 s。

式中 σ——安全系數(shù)，取σ=1.05

△Z——消力池出口水面落差關(guān)公式計(jì)算，公式為：

式中dm——沖刷深度（m）；

qm——單寬流量（m3/s-m）；

[V0]——河床允許不沖流速（m）；

hm——河床水深（m）。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)附表。

附表 折線型實(shí)用堰下游沖坑計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算河床泄量大于800 m3/s后，河床流速大于允許不沖流速，單寬流量q＞1.3 m3/s-m后河床沖刷坑形成，在50年一遇洪水（Q=3 380 m3/s）作用下，沖坑深度dm將達(dá)到4.97 m左右。

目前每年形成沖坑，深度一般在3 m左右，隨著當(dāng)年最大泄量不同而不同，形成沖坑后，在水流反淘作用下，沖坑向壩址方向迅速發(fā)展，一場(chǎng)洪水就可將壩基下游部分掏空，引起垮壩，1986年垮壩70余米，2000年垮壩 80余米，2001年垮壩 160余米，2006年垮壩90余米，2007年垮壩60余米，2008年垮壩70余米，垮壩頻率越來(lái)越高，大壩已不能正常運(yùn)行，應(yīng)修建必要的消能設(shè)施和護(hù)坦工程。

由于篇幅有限，本文略去堰體及基礎(chǔ)滲流穩(wěn)定計(jì)算及評(píng)價(jià)部分。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）對(duì)于水流中堆石體穩(wěn)定計(jì)算，在國(guó)內(nèi)外有多種研究成果，其研究的成果是不一致的，普遍適用性不強(qiáng)，將計(jì)算結(jié)果與該水閘堰體實(shí)際破壞情況比較，D.斯蒂芬森理論及公式較適合于該水閘這種在泄洪時(shí)堆石體完全處在流水中的堆石體折線型實(shí)用低堰的穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算?？捎弥畬?duì)堆石體折線型實(shí)用低堰進(jìn)行堰頂塊石、堰頂長(zhǎng)度、堆石體下游坡腳穩(wěn)定復(fù)核和安全評(píng)價(jià)分析。

（2）在溢流堰消能防沖穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算中，底流消能工計(jì)算復(fù)核中應(yīng)對(duì)多級(jí)泄流逐級(jí)計(jì)算求得控制流量，大泄量時(shí)下游水深，往往不是控制工況，其控制工況出現(xiàn)在自由出流的小泄量情況下。

（3）進(jìn)行消能工復(fù)核計(jì)算后，應(yīng)對(duì)下游河床進(jìn)行沖坑復(fù)核計(jì)算，特別是下游河床為砂卵礫石抗沖流速低的情況，因?yàn)榈琢飨芄た刂乒r一般是小泄量自由出流工況，而下游沖坑控制工況則是大泄量淹沒(méi)出流工況。

1 D.斯蒂芬森，堆石工程水力計(jì)算[M].北京：海洋出版社，1984.

2 武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計(jì)算手冊(cè)，[M].北京：水利電力出版社，1983.

3 И.И.阿格羅斯金，Г.Т.季米時(shí)里耶夫，Φ.И.皮卡洛夫，水力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1985.

4 華東水利學(xué)院.水力學(xué)（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

5 李煒.水力計(jì)算手冊(cè)第二版[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.