元江縣陸家店水庫溢洪道設(shè)計(jì)

云南省玉溪市元江縣水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 云南省玉溪市元江縣 653300

摘要：溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個(gè)工程造價(jià)。一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價(jià)的25～30%及勞動(dòng)力的25%，故溢洪道合理的布局、選型和數(shù)據(jù)計(jì)算，在水庫工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：溢洪道；設(shè)計(jì)

1.工程概況

陸家店水庫位于云南省玉溪市元江縣咪哩鄉(xiāng)甘岔村委會(huì)陸家店村，水庫所在河流為紅河流域元江右岸一級(jí)支流清水河。水庫壩型為粘土心墻壩，壩高55.3m，總庫容147.8萬m3。工程規(guī)模為小（一）型。

2工程布置及建筑物

2.1溢洪道設(shè)計(jì)

根據(jù)地形和地質(zhì)資料把溢洪道布置于右岸。采用可研推薦的軸線。溢洪道基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化泥巖、粉砂質(zhì)泥巖之上，工程地質(zhì)條件相對(duì)較好。對(duì)可研推薦方案進(jìn)行比較優(yōu)化。

挑流段所處的岸坡陡峭，限制了挑流段的布置空間。研究比較鼻坎在不同里程采用不同挑射角的情況，鼻坎里程為0+241.500、挑射角20 °時(shí)水流能最好的挑入河床中心。

2.1.1溢洪道布置

溢洪道為岸坡開敞式。溢洪道布置于大壩右岸。全長242m，寬度為4～2.5～1.5m，高度為2.02～2.32～1.4～2.003～1.4m，進(jìn)口底板高程為1969.98m，出口底板高程為1902.561m。堰頂高程為1969.98m。溢洪道由進(jìn)水渠段）、控制段、泄槽段、挑流消能段組成。溢洪道的斷面型式均為矩形斷面，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.1.2水力學(xué)計(jì)算

溢洪道為開敞式自由溢流，設(shè)計(jì)下泄流量為4.07m3/s（P=3.33%）；校核下泄流量為7.01m3/s（P=0.33%），消能防沖設(shè)計(jì)流量3.62m3/s（P=5%）。

1.溢洪道進(jìn)口水力計(jì)算

溢洪道為敞開式，進(jìn)口底板高程為1969.98m。過流能力按無坎寬頂堰堰流公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：σs——為淹沒系數(shù)；

ε1——為側(cè)收縮系數(shù)；

m——為流量系數(shù)；

堰的寬度經(jīng)過計(jì)算比較確定為2.5m。

經(jīng)計(jì)算進(jìn)口尺寸滿足要求。

2.溢洪道泄槽段的水面線推算

泄槽段底坡均為陡坡，采用分段求和法計(jì)算泄槽段水面線。按下式計(jì)算：

△Ll-2=[h2cosθ+（α2v22/2g）]-[h1cosθ+（α1v12/2g）]/（i-J）

J=n2v2/R4/3

式中：△Ll-2——分段長度，m；

h1、h2——分段始、末斷面水深，m；

v1、v2 ——分段始、末斷面平均流速，m/s；

α1、α2——流速分布不均勻系數(shù)；

θ——泄槽底坡角度，o；

i——泄槽底坡；

J—— 分段內(nèi)平均摩阻坡降；

n——泄槽槽身糙率系數(shù)；

v——分段平均流速，m/s；

R——分段平均水力半徑，m。

其中摻氣水深按下式計(jì)算：

式中：hb——摻氣后水深，m；

h——計(jì)算水深，m；

v——不摻氣情況下計(jì)算斷面流速，m/s；

ζ——修正系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算當(dāng)Q=7.01m3/s時(shí)，起始斷面（寬2.5m）臨界水深hk=0.944m，根據(jù)hk推算出泄槽段水深及邊墻高度，計(jì)算結(jié)果見下表。

水平里程（km+m）計(jì)算水深（m）流速（m/s）摻氣后水深

（m）計(jì)算邊墻高

（m）

0+020.0000.9442.9700.9721.47

0+040.0000.40511.5390.4520.95

0+65.2770.37012.6310.4170.92

0+076.3280.33613.9090.3830.88

0+080.1220.36012.9810.4070.91

0+103.5420.5009.3470.5471.05

0+131.2740.6507.1900.6971.20

0+172.0450.8125.7550.8591.36

0+185.000.32214.5130.3690.87

0+189.7000.30015.5780.3470.85

0+198.2920.28016.6900.3270.83

0+231.4060.26417.6710.3110.81

3.消能防沖計(jì)算

采用挑流消能。底流消能的洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，對(duì)應(yīng)的下泄流量Q=3.62m3/s。

挑距計(jì)算公式為：

L=1/g（v12sinθcosθ+ v1cosθ（v12sin2θ+2g（h1cosθ+ h2）1/2）

式中：L——挑流鼻坎末端至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；

θ——挑流水舌水面出射角，近似取鼻坎挑角，（°）；

h1 ——挑流鼻坎末端法向水深，m；

h1 ——鼻坎頂至下游河床的高程差；

v1——鼻坎坎頂水面流速，m/s。

經(jīng)過計(jì)算L=8.08m。

最大水墊深度計(jì)算公式為：

T=kq1/2Z1/4

式中：T——自下游水面至坑底最大水墊深度，m；

q——鼻坎末端斷面單寬流量，m3/（s.m）；

Z——上、下游水位差，m；

K——綜合系數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算T=2.75m。

2.1.3穩(wěn)定計(jì)算

1.控制段抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算

控制段基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：K——按抗剪斷確定計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑W——全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向分量，kN；

∑P——全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的切向分量，kN；

f′——抗剪斷摩擦系數(shù)；

C′——抗剪斷黏聚力，Kpa。

控制段基底應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中——堰體基底應(yīng)力的最大值或最小值（kPa）；

∑G——作用在堰體上的全部豎向荷載，kN；

∑M——作用在堰體上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；

W——堰體基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m4。

計(jì)算成果見下表。

序號(hào)荷載組合計(jì)算情況基底應(yīng)力（kPa）抗滑穩(wěn)定

PmaxPmin地基允許

承載力φC（Kpa）計(jì)算值規(guī)范

允許值

1基本

組合完建情況30.430.41502018——

2 設(shè)計(jì)洪水位34.6134.031502018183.073

3特殊

組合校核洪水位52.5219.721502018129.432.5

4 地震情況71.510.72150201824.722.3

通過以上計(jì)算成果可得控制段設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

2.泄槽段穩(wěn)定復(fù)核

溢洪道泄槽段整體抗滑穩(wěn)定采用抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算。分別對(duì)底坡不同的泄槽進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核，按校核洪水時(shí)最不利的情況進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算公式如下：

式中：Kc——按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

——底板混凝土與基巖之間的摩擦系數(shù)；

——作用于接觸面上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向分力；

——作用于接觸面上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的切向分力；

τ——水的流動(dòng)拖力；

γ——水的容重；

A——泄槽底板面積；

R——水力半徑；

b——為水面寬度；

h——為計(jì)算斷面水深；

J——水能坡降；

——流速系數(shù)；

H——為上下游水位差；

L——計(jì)算泄槽段長度。

經(jīng)過計(jì)算泄槽第1、2、3段當(dāng)下泄校核洪水流量時(shí)：Kc分別為3.27、17.51、3.21，該條件下滿足抗滑穩(wěn)定要求。

2.1.4結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用有限元法。計(jì)算成果見下表

里程計(jì)算工況位置軸向力（KN）剪力（KN）彎矩（KN.m）

0+014完建側(cè)墻桿底端20.20-45.9837.77

完建底板桿端45.9820.2047.53

完建底板桿中45.9803.60

0+215完建側(cè)墻桿底端14.00-36.2516.52

完建底板桿端36.2514.0020.95

完建底板桿中36.2501.00

溢洪道計(jì)算配筋為Φ14@200的雙層二級(jí)鋼筋。

3結(jié)束語

復(fù)核采用可研推薦的軸線，比較選定了挑流鼻坎的里程和挑射角；比較陡槽的抗滑穩(wěn)定的主要措施采用錨筋抗滑，減少底板厚度0.1m、邊墻厚度0.1m、齒墻深度0.8m，降低施工難度，減少造價(jià)27.46萬元。溢洪道陡槽段比較陡時(shí)通過加厚邊墻對(duì)陡槽的抗滑穩(wěn)定幫助不大，其厚度只要滿足橫向結(jié)構(gòu)計(jì)算要求即可，而在合適的地質(zhì)條件下采用錨筋抗滑的措施最經(jīng)濟(jì)。