土門子水庫泄水設(shè)施加固方案設(shè)計

王博文

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110166)

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土門子水庫泄水設(shè)施加固方案設(shè)計

王博文

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110166)

針對遼寧省土門子水庫溢洪道存在的問題，提出了具體的加固方案，確定了拓寬溢洪道、重建溢流堰、增設(shè)消能設(shè)施的具體加固措施。工程完工后的良好運行效果驗證了加固方案的正確性與合理性。

土門子水庫；溢洪道；加固方案

1　土門子水庫基本情況

1.1水庫概況

土門子水庫位于遼寧省鳳城市境內(nèi)大洋河支流牛河中游，建于1978年。水庫控制流域面積276.3km2，設(shè)計庫容1.86億m3，平均水深15.5m。土門子水庫的主壩為漿砌石重力壩，壩長319.2m，最大壩高36.6m。副壩為黏土斜墻壩，壩長32m，壩高8m。水庫的主要功能為防洪和灌溉，水庫的防洪保護面積為0.87 萬hm2，可以有效保護壩址下游5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，近11萬人的安全。土門子水庫設(shè)計灌溉面積為1.44 萬hm2，養(yǎng)魚水面0.09 萬hm2，為當?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會穩(wěn)定做出了積極貢獻。

1.2水文地質(zhì)特征

土門子水庫流域形狀呈扇形，地勢西北高東南低，流域內(nèi)海拔高度在157～370m之間，相對高差約200m，其中壩址處地面標高185m。該流域多年平均降雨量854.6mm，降雨的年際、年內(nèi)變化較大，最大年降雨量為1514.5mm，最小年降雨量為561.2mm。年內(nèi)降雨集中于6—9月份，特別是7月、8月兩月的降雨量約占全年降雨量的51.3%。

土門子水庫的壩址區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，大部分地段基巖裸露，該段牛河總體自東向西流，河床不寬，但是地貌較為復(fù)雜。壩址區(qū)裸露地層主要為遠古代土門組砂巖、泥灰?guī)r以及砂質(zhì)頁巖，第四紀巖層主要分布于坡腳與河床。

2　泄水設(shè)施加固方案設(shè)計

2.1溢洪道現(xiàn)狀及存在的問題

土門子水庫的溢洪道位于大壩左岸，為開敞式溢洪道設(shè)計，全長150.5m，最大泄洪量為657m3/s。溢洪道的現(xiàn)狀為漿砌石折線堰，堰寬22.5m，堰頂高程為179.5m。由于水庫修建年代較早，設(shè)計標準不高，加之長時間運行，溢洪道存在較多問題，主要表現(xiàn)為：溢洪道寬度過窄，難以滿足P=1%以上洪水的泄洪要求，且右岸的山體風(fēng)化較為嚴重，影響溢洪道的運行安全；溢洪道左岸的導(dǎo)流墻設(shè)計不規(guī)范，并且比較單?。灰绾榈赖囊缌餮邽闈{砌石結(jié)構(gòu)，但是砌筑質(zhì)量不高，且與山體相連之處存在明顯的滲水現(xiàn)象；溢洪道整體設(shè)計較為簡單，下游沒有消能設(shè)施，洪水期大量泄洪的情況下，下游回水會沖刷壩腳，對壩體的安全產(chǎn)生潛在威脅。土門子水庫溢洪道的上述問題，已經(jīng)影響到水庫的安全度汛，因此亟待進行加固。

2.2溢洪道的加固設(shè)計方案與參數(shù)計算

2.2.1溢洪道的總體布置與工程加固措施

根據(jù)土門子水庫的實際情況，加固后的溢洪道仍然采用開敞式設(shè)計思路[1]。整個溢洪道設(shè)計為4部分，分別是：進口段，樁號為0-030～0+000；控制段，樁號為0+000～0+010；泄槽段，樁號為0+010～0+100；消能段，樁號為0+100～0+130。

加固的主要工程措施包括以下幾個：

(1)原來的溢洪道過窄且右側(cè)山體風(fēng)化嚴重，因此將溢洪道向右側(cè)拓寬，使總寬達到25m。

(2)將漿砌石溢流堰拆除重建，斷面采用WES曲線。

(3)將溢洪道左岸的漿砌石導(dǎo)流墻拆除重建，背水面坡比設(shè)計為1∶0.5，重建時使用M10水泥砂漿，擋水墻迎水面利用M10水泥砂漿勾縫。

(4)新建下游挑流消能設(shè)施。

(5)為避免泄洪回水沖刷壩腳，在主河槽壩后新建漿砌石擋土墻。

(6)徹底清除溢洪道下游河道內(nèi)的樹木、垃圾等影響泄洪的雜物，確保水庫行洪安全。

2.2.2進口段

加固后的土門子水庫溢洪道進口段長30m，樁號為0-030～0+000。上游寬42m，沿水流方向到控制段入口處逐步收窄為25m，需要拓寬的部分由右岸風(fēng)化山體開挖獲得，開挖后對右岸邊坡進行必要處理，使邊坡穩(wěn)定性達到相關(guān)設(shè)計要求[2]。在進口段左岸新建漿砌石擋土墻，坡比設(shè)計為1∶0.3。

2.2.3控制段

加固后的土門子水庫溢洪道控制段長10m，樁號為0+000～0+010?？刂贫蔚囊缌餮咴O(shè)計標準低且年久失修滲水嚴重，因此需要拆除重建。重建后的溢流堰堰頂高程為179.5m，總凈寬為25m。根據(jù)溢流堰的相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗，這種壩頂式實心溢流堰的剖面線主要有克-奧曲線和WES曲線兩種[3]。其中，克-奧曲線施工放樣不方便，同時其確定的剖面經(jīng)常超過穩(wěn)定與強度要求，而WES曲線剖面小，具有便于放樣、流量系數(shù)大等優(yōu)點[4]，因此本次加固設(shè)計中擬采用WES曲線。WES曲線溢流面方程為：

(1)

式中:X、y為以堰頂為原點的坐標；Hd為定型設(shè)計水頭；K為與上游壩面坡度有關(guān)的系數(shù)；n為與上游壩面坡度有關(guān)的指數(shù)。當上游壩面鉛直時，K取2.0，n取1.85。

結(jié)合土門子水庫的工程實際，溢流堰剖面WES曲線方程為：

(2)

工程設(shè)計溢流堰堰體的基礎(chǔ)厚度為0.7m，深入溢流段基巖。土門子水庫P=0.2%時校核洪水水位為183.74m，因此溢流堰堰前的最大水位差為183.74-179.50=4.08m，根據(jù)水力學(xué)堰上設(shè)計水頭的相關(guān)規(guī)定，Hd=(0.75～0.95)Hmax，該工程取系數(shù)為0.85，計算得Hd=3.47m。堰體表面為30cm厚的C25現(xiàn)澆混凝土，內(nèi)部為M10水泥砂漿砌筑體。溢流堰的前部、頂部和后部均利用M10砂漿勾凸縫。溢流堰設(shè)計剖面圖如圖1所示。

圖1　溢流堰工程設(shè)計剖面圖

2.2.4泄槽段

加固后的土門子水庫溢洪道泄槽段長90m，樁號為0+010～0+100。加固中將左岸的導(dǎo)流墻拆除，重建M10漿砌石重力擋土墻。對右側(cè)山體進行拓寬開挖，使泄槽段底寬達到25m，邊坡比設(shè)計為1∶1，必要時采取工程措施，確保山體穩(wěn)定。

(1)水面線計算。泄槽段水流屬于明渠非均勻水流，因此水面線計算采用分段求和法進行。計算公式采用《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253—2000)附錄中的公式進行計算。

(3)

式中:Δl1-2為分段長度,m；h1為分段始斷面水深,m；h2為分段末斷面水深,m；υ1為分段始斷面平均流速,m/s；υ2為分段末斷面平均流速,m/s；θ為泄槽底坡角度，(°)；α1、α2為流速分布不均勻系數(shù)，取1.0；i為泄槽底坡坡度；J為平均摩阻坡降。

(2)泄槽邊墻高程計算。

依據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253—2000)中關(guān)于泄槽邊墻高度的設(shè)計要求，其高程應(yīng)該按計入波動和摻氣后的水面線加上一定的超高確定。其中校核水位下加0.5m，標準水位下加1.0m，以兩者之中的最大值作為邊墻的設(shè)計高程。波動及摻氣后的水深按式(4)計算[6]：

(4)

式中:hb為泄槽計算斷面的波動和摻氣水深,m；h為泄槽計算斷面的水深,m；υ為泄槽計算斷面的平均流速,m/s；ζ為計算修正系數(shù)，取1.2s/m。

根據(jù)計算結(jié)果與現(xiàn)場地形綜合考慮，最終確定泄槽邊墻的高度為4.0m。

2.2.5消能段

加固后的土門子水庫溢洪道消能段長30m，樁號為0+100～0+130。根據(jù)水庫溢洪道現(xiàn)場的地形條件，采用挑流消能形式，底部采用厚30cm的鋼筋混凝土。

(1)挑流鼻坎的設(shè)計。

挑流鼻坎的作用在于對洪水進行消能并將其送入下游出水渠[7]。依據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253—2000)的相關(guān)規(guī)定，在保證能形成自由挑流，發(fā)揮其消能作用的前提下，挑坎的高程要與下游最高水位平齊或略低，結(jié)合土門子水庫消能段的實際情況，確定坎頂?shù)母叱虨?69.6m，齒墻底高程為164.5m。

土門子水庫消能段的挑坎設(shè)計為連續(xù)等寬式，這種挑坎的反射弧半徑為反弧最低點水深最大值的6～12倍[8]。結(jié)合工程實際與相關(guān)數(shù)據(jù)，確定反弧半徑R=4.95m，反弧最低點的高程為168.56m，挑射角為37.69°，其上游與泄流槽底板相切。

(2)挑坎水力計算。

挑流水舌的外緣挑距利用《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253—2000)附錄A中的公式進行計算。

(5)

式中：L為挑流水舌外緣挑距,m；g為重力加速度；υ1為挑流鼻坎頂面平均流速,m/s；θ為挑流水舌出射角，此處取鼻坎挑角37.69°；h1為挑流鼻坎末端水深,m；h2為挑流鼻坎到?jīng)_刷坑最低點的高程差,m。

利用上述公式計算得挑距L=16.1m。

水庫溢洪道消能段全長30m，底部總凈寬25m，采用厚30cm鋼筋混凝土。其中底部為5cm厚的C10混凝土墊層，上部為25cm厚的C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，該層設(shè)置有兩道鋼筋網(wǎng)，其中面層設(shè)計為間距20cm的Φ12鋼筋，雙向布置；底層設(shè)計為間距20cm的Φ10鋼筋，雙向布置，鋼筋保護層為2.5cm。設(shè)計完成的挑流坎縱剖面圖如圖2所示。

圖2　挑流坎縱剖面圖

根據(jù)施工設(shè)計前的地質(zhì)調(diào)查，土門子水庫溢洪道下游基巖裸露，且完整性好，具有較強的抗沖刷能力，所以溢洪道下游的河床不必采取工程保護措施。對于加固施工前溢洪道內(nèi)洪水回流到壩后的情況，此次溢洪道加固施工過程中，設(shè)計在水庫大壩主河槽段壩后新建長60m、高2.8m的漿砌石重力式擋土墻，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　擋土墻斷面圖

3　結(jié)　論

土門子水庫除險加固工程于2013年汛前全部結(jié)束。根據(jù)加固設(shè)計，溢洪道在原有基礎(chǔ)上拓寬至25m，拆除原有的溢流堰后，重建了高標準的WES溢流堰，并在下游增建了挑流消能設(shè)施，在加固過程中嚴格按照設(shè)計要求施工建設(shè)。工程完工的當年汛期，大洋河流域就連降暴雨，土門子水庫上游來水超過歷年平均水平，水庫溢洪道連續(xù)運行多日。經(jīng)相關(guān)技術(shù)人員現(xiàn)場查看，溢流堰過流量明顯增加，同時溢洪道內(nèi)水流平穩(wěn)，下游的消能設(shè)施運行正常，各項數(shù)據(jù)與設(shè)計要求基本吻合，驗證了溢洪道加固設(shè)計方案的正確性。

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王博文(1984-),男，工程師,主要從事水利運行調(diào)度工作。

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