葦子溝水庫溢洪道除險加固設計

陳延生

(海城市水利工程建設質(zhì)量安全監(jiān)督站，遼寧 海城114200)

1 概 況

海城市葦子溝的溢洪道從建庫以來經(jīng)過多年運行機制情況良好。但是溢洪道從建庫以來經(jīng)過多年運行情況良好，但由于該庫初建時溢洪道漿砌石量較大和投資所限，施工當時只進行堰頂襯砌，陡坡段襯砌和漿砌石消力池，因此消力池進口漿砌石護底局部已壞。溢洪道導水墻基淺，且漿砌部分薄弱，已在墻下有分離現(xiàn)象，底板破損嚴重。溢洪較大時會有輕度沖刷，坍塌現(xiàn)象。溢洪道出口左側(cè)山頭坡度較陡影響洪水渲泄，為了使水流暢通，故將左側(cè)山頭和局部邊坡較陡部位進行削坡，溢洪道消力池出口右側(cè)壩腳在泄洪時有被沖和淹沒的可能。

2 設計方案

本次加固設計針對葦子溝水庫現(xiàn)狀存在的問題及除險加固設計原則，采用下述除險加固方案:溢洪道基礎與擋墻進行處理，溢洪道進口做一鋼筋混凝土截水墻，截水墻深入黏土1 m，底板改造為鋼筋混凝土結構，擋墻部分拆除重建，消力池拆除重建［1］。

3 設計與計算

3.1 溢洪道加固設計

溢洪道底板拆除重建，布置參照原設計;溢洪道進口做一截水墻，墻厚0.5 m，深入黏土層1.0 m。溢洪道右側(cè)邊墻引水渠段采用漿砌石擋土墻，控制段及泄槽段樁號0 +000 －0 +036 采用重力式混凝土擋土墻;溢洪道左側(cè)邊墻控制段及泄槽段樁號0 +000 －0 +036 采用重力式混凝土擋墻，泄槽段樁號0+036 －0 +078 采用漿砌石擋土墻。

3.2 溢洪道水力計算

3.2.1 進口寬頂堰泄流能力計算

泄流能力按《水力工程設計計算手冊》無底坎寬頂堰泄流進行計算:

式中:Q 為流量，m3/s;B 為總凈寬，m;H0為計入流速水頭的堰上總水頭，m;m 為寬頂堰流量系數(shù)，取1.48;ε 為側(cè)收縮系數(shù)，取1.0。

溢洪道計算泄流能力曲線見表1。

表1 葦子溝水庫溢洪道水位～泄量曲線復核成果表

溢洪道防洪標準為10 a一遇洪水設計，20 a一遇洪水校核。設計洪水最大泄量為37.4 m3/s，相應庫水位為20.42 m;校核洪水最大泄量為53.3 m3/s，相應庫水位為20.76 m。溢洪道根據(jù)多年運行經(jīng)驗仍采用消力池消能。

3.2.2 水面線計算

3.2.2.1 水面線計算

泄槽水面線根據(jù)能量方程，用分段求和法計算，根據(jù)《溢洪道設計規(guī)范》(SL253—2000)附A.3公式:

式中:△l1－2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;θ 為泄槽底坡角度，°;i 為泄槽底坡，i = tgθ;為分段內(nèi)平均摩阻坡降;n 為泄槽槽身糙率系數(shù);分段平均流速，=(v1+ v2)/2 ，m/s;為分段平均水力半徑，= (R1+ R2)/2 ，m。

根據(jù)《水力計算手冊》要求，當水流通過泄水建筑物時的斷面平均流速大于6 ～7 m/s時，則需要考慮摻氣影響。泄槽的摻氣水深可按下式估算:

式中:h、hb為泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深，m;v 為不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，m/s;ζ為修正系數(shù)，可取1.0 ～1.4 s/m，流速大者取大值。

3.2.2.2 泄槽擋土墻頂高程的計算

根據(jù)規(guī)范要求，泄槽擋土墻頂高度=校核水位泄槽水面線+A。

式中:A 為安全超高，規(guī)范要求安全超高為0.5 ～1.0 m，取0.5 m。

泄槽水面線及擋土墻頂高程計算結果，見表2。

表2 溢洪道泄槽邊墻頂高程計算成果表 m

3.2.3 消能計算

現(xiàn)有消力池長度16.5 m，寬度15 m，與陡槽末端有跌坎相連，跌坎高度2.6 m，池深為0.93 m。根據(jù)《中小型水庫設計》:校核流量53.3 m3/s，陡槽末端水深0.44 m，流速8.04 m/s。

3.2.3.1 泄水渠正常水深計算

i =0.0006，n =0.025，b =15，m =4

設水深為1.93 m。

ω = (b + mh)h =43.8 m

x = b +2h(1 + m2)1/2=30.9

R = ω/x =1.4

查謝才系數(shù)c =42

Q = ωcR1/2i1/2=53.7 m3/s

與校核流量相符，故取h =1.93 m。

下游水深加池深為:1.93 +0.93 =2.86 m

3.2.3.2 消力池水躍計算

式中:To 為斷面的能量，m;ω1為收縮斷面的過水斷面積，m2;h＇為收縮斷面水深，m;ψ 為流速系數(shù)，一般可取0.9 ～0.95;h＇ =0.4 m。

式中:h″為躍后斷面水深;q 為單寬流量;h″ =2.73 m

式中:Lk為消力池長度;lⅡ為水躍長度，m;β =0.8;l1為收縮斷面離開跌坎的距離。

式中:p 為跌坎高度，m;Ho 為上游水頭，m;l1=6.26 m，Lk= l1+ βlⅡ=15.85 m

躍后水深2.73 m ＜2.86 m，為淹沒式出流，實際池深符合要求，實際消力池長度大于計算長度0.65 m，原長度符合要求。

3.2.4 海漫長度計算

河道現(xiàn)有寬度15 m，與消力池末端相連。根據(jù)《中小型水庫設計》:

式中:Lp 為護砌長度，m;K 為渠床土質(zhì)系數(shù)，砂壤土K =12;△Z 為上下游水頭差，校核水位減下游水位高程=8.24 m;q 為海漫單寬流量，m3/s;尾水渠護砌長度Lp =38.3 m。

取尾水渠護砌長度39 m。

3.3 溢洪道改造設計

3.3.1 原溢洪道擋墻穩(wěn)定復核

溢洪道進口邊墻斷面、距進口處55.3 m斷面、距進口處85.3 m 斷面，擋墻高分別為3.83 m、3.54 m、2.7 m。

擋土墻的抗滑穩(wěn)定計算公式如下:

式中:Kc 為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑W 為作用于墻體上的全部垂直力總和，kN;∑P 為作用于墻體上的全部水平力的總和，kN;f 為墻底摩擦系數(shù)。

擋土墻的抗傾穩(wěn)定計算公式如下:

式中:K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù);∑MV為抗傾覆力距總和，kN· m;∑MH為傾覆力距總和，lkN· m;

擋土墻基底壓應力計算公式如下:

式中:σmax、σmin為基底的最大和最小壓應力，kPa;∑G為垂直荷載，kN;A 為底板面積，m2;∑M為荷載對底板形心軸的力矩，kN· m;W 為底板的截面系數(shù)，m3;穩(wěn)定計算成果見表3。

表3 穩(wěn)定計算成果表

3.3.2 結構計算分析

3.3.2.1 擋土墻擋土墻的抗滑穩(wěn)定計算公式如下:

式中:Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑W作用于墻體上的全部垂直力總和，kN;∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和，kN;f 為墻底摩擦系數(shù)。

擋土墻的抗傾穩(wěn)定計算公式如下:

式中:K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù);∑MV為抗傾覆力距總和，kN· m;∑MH為傾覆力距總和，kN· m，

擋土墻基底壓應力計算公式如下:

式中:σmax、σmin為基底的最大和最小壓應力，kPa;∑G為垂直荷載，kN;A 為底板面積，m2;∑M為荷載對底板形心軸的力矩，kN· m;W 為底板的截面系數(shù)，m3。

計算成果見表4。

表4 穩(wěn)定計算成果表

計算結果表明，擋土墻抗滑、抗傾及基礎應力均滿足要求。

3.3.2.2 泄槽底板抗浮穩(wěn)定計算

根據(jù)復核意見，溢洪道底板剝蝕嚴重，鑿除0.3 m厚混凝土，再澆筑0.3 m鋼筋混凝土底板。根據(jù)《中小型水庫設計》第547 頁，計算陡槽末端底板的穩(wěn)定性。

3.3.2.3 刺墻滲徑計算

根據(jù)《水工建筑物》計算公式為:

式中:L 為刺墻防滲長度，m;H 為上、下游水位差，m;校核水位減堰頂高程=20.76 －19.71 =1.59 m;C 為滲徑系數(shù)。黏土取4L=4.77 m，取5 m。

3.3.3 交通路恢復工程

交通路為瀝青路面，水泥穩(wěn)定砂礫層厚度0.20 m，瀝青路面厚度0.08 m，長度85 m，寬4 m。

［1］馬丹. 水庫溢洪道除險加固工程設計思路［J］. 水利科技與經(jīng)濟，2010(02):157 －158.