某水庫輸水洞出口消力池底板厚度計(jì)算及穩(wěn)定分析

于海洋，姚忠天

（1.遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，沈陽 110000；2.遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧撫順 113000）

某水庫輸水洞出口消力池底板厚度計(jì)算及穩(wěn)定分析

于海洋1，姚忠天2

（1.遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，沈陽 110000；2.遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧撫順 113000）

文章針對某水庫輸水洞改造工程，對其出口處消力池閘底板的受力情況進(jìn)行了分析，在綜合考慮底板所受的揚(yáng)壓力、靜水壓力、重力以及脈動(dòng)壓力等因素下，對底板厚度進(jìn)行計(jì)算并對穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，為輸水洞改造工程中消力池底板加固的設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)。

輸水洞改造；消力池底板；厚度計(jì)算；穩(wěn)定分析

1 工程概況

某水庫總庫容為22.68×108m3，為大（1）型水庫，工程等別為Ⅰ等，水庫樞紐主要由擋水建筑物主壩、一副壩、二副壩、三副壩和泄水建筑物主溢洪道、非常溢洪道和輸水洞組成。

設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為可能最大洪水（PMF）。水庫正常蓄水位為131.5m，防洪限制水位為126.4m，設(shè)計(jì)洪水位為136.63m，校核洪水位為139.32m。

輸水洞位于主壩和一副壩之間的主壩左端，主要功能是排泄洪水、引水發(fā)電、灌溉和先期施工導(dǎo)流。

輸水洞主要由進(jìn)水渠、進(jìn)口控制段、主洞段、支洞1和支洞2共5部分組成。主洞段長度236.486m，洞徑6.5m，末端分岔為支洞1和支洞2。其中支洞1長度為136.694m，洞徑6.5m，設(shè)計(jì)為電站支洞，設(shè)計(jì)泄量為180m3／s；支洞2長度為148.4m，原設(shè)計(jì)為泄洪支洞，分岔前洞徑為5.5m，后部分岔為支洞2－1和支洞2－2，洞徑均為4.0m，設(shè)計(jì)泄量為220m3／s。

2 存在問題

某水庫經(jīng)過多年運(yùn)行，存在以下問題：

1）輸水洞進(jìn)口攔污柵、閘門及啟閉機(jī)室已運(yùn)行多年，少有檢修，2010年汛后，通過檢查發(fā)現(xiàn)存在閘門水封漏水，金屬結(jié)構(gòu)銹蝕，啟閉機(jī)室混凝土結(jié)構(gòu)破壞等諸多問題。

2）通過復(fù)核計(jì)算，輸水洞現(xiàn)狀泄流能力不能滿足主汛期和后汛期洪水調(diào)度方案中輸水洞設(shè)計(jì)泄量的要求。

3）水庫通過輸水洞排放生態(tài)環(huán)境水量和灌溉水量時(shí)，需要對下泄流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，輸水洞泄洪出口由于下游水位差較大，只能采用潛孔式平面滑動(dòng)鋼閘門，不能調(diào)節(jié)下泄流量，無法滿足上述要求［1］。

4）2010年7月下旬，流域中上游連降大到暴雨，該水庫庫水位達(dá)到128.29m，已超過防洪限制水位126.4m和控制水位128.22m，此時(shí)，輸水洞按洪水調(diào)度方案應(yīng)開啟泄洪并達(dá)到設(shè)計(jì)泄量400m3／s，但實(shí)際情況是，支洞1由于機(jī)組故障關(guān)閉檢修閘門，未能及時(shí)參與泄洪，輸水洞洪水全部通過支洞2下泄，造成支洞2洞身、下游消力池及尾水渠均產(chǎn)生不同程度的損毀，更為嚴(yán)重的是延誤了洪水的及時(shí)下泄，給水庫樞紐的安全帶來了極其不利的影響。

本次輸水洞改造工程將支洞2洞徑擴(kuò)至6.5m，支洞2－1和支洞2－2洞徑擴(kuò)至5m。改造后，輸水洞在庫水位為128.22m時(shí)，支洞2設(shè)計(jì)泄量可達(dá)到409.4m3／s，滿足汛期防洪調(diào)度下泄流量的要求。根據(jù)改造后的下泄流量標(biāo)準(zhǔn)，使之為工程安全提供保障，需要對下游消能防沖設(shè)施重新進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。

3 消力池底板厚度計(jì)算

依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265—2001，消力池底板厚度可根據(jù)抗沖和抗浮要求，分別按公式（1）和（2）計(jì)算，并取其大值。

抗沖：

抗浮：

式中：t為消力池底板始端厚度，m；ΔH＇為閘孔泄水時(shí)的上、下游水位差，m；k1為消力池底板計(jì)算系數(shù)，可采用0.15～0.20；k2為消力池底板安全系數(shù)，可采用1.1～1.3；U為作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力，kPa；W為作用在消力池底板頂面的水重，kPa；Pm為作用在消力池底板上的脈動(dòng)壓力，kPa，其值可取躍前收縮斷面流速水頭值的5%；通常計(jì)算消力池底板前半部的脈動(dòng)壓力時(shí)取“＋”號，計(jì)算消力池底板后半部的脈動(dòng)壓力時(shí)取“－”號；γb為消力池底板的飽和重度，kN／m3［2］。

因?yàn)槭茄蜎]式水躍，故Pm根據(jù)“溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范”（SL253—2000），Pm可用下式計(jì)算：

式中：Kp為脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)，取kp＝0.020；βm為面積均化系數(shù)，取βm＝0.30（實(shí)際上，βm和護(hù)坦上水深等因素有關(guān)）；ρw為水的密度。

分別采用校核標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算成果見表1：

表1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算成果表

根據(jù)上述結(jié)果，取t＝2.0m

4 消力池底板穩(wěn)定分析：

根據(jù)圖1進(jìn)行消力池底板的穩(wěn)定性分析。

圖1 消力池底板受力示意圖

消力池底板受力情況如下：

底板底邊的單寬揚(yáng)壓力U1計(jì)算：

底板面上的單寬靜水壓力P1計(jì)算：

底板單寬重力P2計(jì)算：

底板面的脈動(dòng)壓力U2計(jì)算：

抗浮安全系數(shù)kf計(jì)算：

取L＝14m，γc＝25kN／m3，t＝2.0m

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果

規(guī)范規(guī)定kf＝1.0～1.2，故消力池底板厚度t＝2m滿足要求。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合某水庫輸水洞改造工程，對其出口處消力池閘底板的受力情況進(jìn)行了分析，對底板厚度進(jìn)行計(jì)算并對穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，確定了消力池底板加固后的厚度，并經(jīng)驗(yàn)證證明方案滿足要求，為輸水洞改造工程中消力池底板的加固設(shè)計(jì)和施工提供了理論依據(jù)和參考價(jià)值。

［1］江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院.SL265—2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［2］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，2000.

TV653.1

B

1007－7596（2014）08－0103－02

2014－04－12

于海洋（1975－），男，遼寧撫順人，助理工程師；姚忠天（1990－），男，遼寧撫順人，助理工程師。