小型引水渠重力壩設(shè)計及計算簡化方法探討

王金科

【摘 要】河口縣蒙河鐵路隧道施工影響區(qū)供水工程灌溉片區(qū)多、引水渠數(shù)量眾多、需修建多座小型取水壩，基于此，論文論述了此類擋水壩的結(jié)構(gòu)簡化及計算優(yōu)化的方法，供相關(guān)技術(shù)人員在同類工程中進(jìn)行參考。

【Abstract】In Hekou County MengHe Railway Tunnel Construction， the irrigation area is large， the diversion canal number is large， so it need to construct a large number of small in-take dams， based on this， the paper discusses the method of this kind of retailing dam structure simplification and calculation optimization， to provide reference to relevant technical personnel in similar projects.

【關(guān)鍵詞】小型重力壩；結(jié)構(gòu)；設(shè)計；優(yōu)化

【Keywords】small gravity dam； structure； design； optimization

【中圖分類號】TV5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）08-0171-02

1 引言

蒙河鐵路項目規(guī)劃新建Ⅰ級電氣化鐵路141.43㎞，設(shè)計時速120㎞/h，總投資83.4億元。蒙河鐵路項目在河口縣境內(nèi)段長63.932㎞，占路線全長的45%，其中隧道總長54.12㎞，占河口段全長的84.7%，總投資約37.7億元，蒙河鐵路河口段近85%段為隧道，2010年蒙河鐵路河口段開工建設(shè)以來，沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)場沿途村寨龍?zhí)?、泉眼、沼澤地水源流量逐年減小，甚至干涸。

工程項目內(nèi)受影響缺水的灌溉片區(qū)，主要通過修建渠道從周邊河流引水灌溉。本文主要針對灌溉片區(qū)內(nèi)多座取水壩同時進(jìn)行設(shè)計，提出減少水工專業(yè)設(shè)計工作量，避免不必要重復(fù)設(shè)計工作，進(jìn)行結(jié)構(gòu)及計算簡化和優(yōu)化的設(shè)計方法。

2 擋水壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

引水渠擋水壩建筑物主要由C15混凝土重力壩、壩面自由溢流和挑流消能、壩身輸水管組成，根據(jù)重力壩的特點，采用壩身溢流的方式，保證擋水壩的蓄水排泄要求[1]。

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB50288-99），河口縣蒙河鐵路隧道施工影響區(qū)供水工程，灌溉渠工程的等別為Ⅴ等，工程級別為5級，設(shè)計流量僅為0.001～0.215m3/s，并且取水壩下游無重要保護(hù)對象，因此，擋水壩采用10年一遇（P=10%）的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)，20年一遇（P=5%）的校核防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，以此確定擋水壩的工程等別仍為Ⅴ等，工程級別為5級，工程規(guī)模為小型。

2.2 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

結(jié)合壩基工程地質(zhì)條件、水文計算、取水渠首渠底高程及相關(guān)重力壩設(shè)計規(guī)范，壩頂寬度采用1.0 m和1.5m兩種類型，迎水面坡比1：0.1，背水側(cè)坡比1：0.6，壩高1.02～7.45m，最大壩基寬度5.97～8.895m。

2.3 溢流壩段設(shè)計

通過曲線方程計算下游直線段與曲線段的切點，然后根據(jù)上下游水位差和定型設(shè)計水頭確定壩下游反弧半徑為2m，并計算反弧曲線圓心，然后通過消能計算確定挑流角為25o比較合適。為防止小流量沖刷壩腳，在壩腳下游設(shè)短護(hù)坦工程，溢流面、導(dǎo)水墻為常態(tài)C20鋼筋砼結(jié)構(gòu)[2]。

灌區(qū)各擋水壩溢流壩段溢流堰布置為無閘開敞式自由溢流，溢流堰為實用堰，單孔布置。利用開敞式WES型實用堰泄流能力計算公式，由已知設(shè)計流量，將各擋水壩校核流量對應(yīng)的堰上總水頭控制在1.05～1.33m、1.58～2.00m和2.11～2.67m三個區(qū)間之內(nèi)，通過試算法，來選定灌溉片區(qū)每個擋水壩的堰流凈寬，分別采用2.0m、4.5m、5.0m、5.5m、7.5m、25.0m和26.0m比較合適，并做出對應(yīng)的各擋水水壩水位—流量關(guān)系，因為屬于小型擋水壩，為方便設(shè)計統(tǒng)一采用0.6m的壩頂超高設(shè)計，輸水涵管采用Φ300mm的螺旋縫雙面埋弧焊鋼管，并設(shè)置型號SD341X-10的伸縮蝶閥控制。

2.4 擋水壩穩(wěn)定計算及應(yīng)力分析

2.4.1 壩體抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319-2005）第6.4款：壩體抗滑穩(wěn)定計算主要核算壩基面滑動條件，應(yīng)按抗剪斷強(qiáng)度公式（6.4.1-1）或抗剪強(qiáng)度公式（6.4.1-2）計算壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.4.3 結(jié)論

①經(jīng)過取水壩的穩(wěn)定性分析及地基應(yīng)力分析，壩體沿壩基的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及壩基應(yīng)力滿足規(guī)范規(guī)定和壩基承載力的要求；

②壩基最大應(yīng)力小于壩基全風(fēng)化片麻巖、全風(fēng)化板巖承載力[R] 0.18～0.25MPa，因?qū)傩⌒蛪危魅∷畨位A(chǔ)開挖至片麻巖、板巖全風(fēng)化層即可，不需要對壩基進(jìn)行特殊處理；

③由于壩高很小，壩體的工作水頭不大，對應(yīng)的防滲標(biāo)準(zhǔn)也較低，所產(chǎn)生的滲透壓力較小，不必對壩基進(jìn)行防滲處理。

3 結(jié)語

對于設(shè)計灌溉片區(qū)內(nèi)小型重力溢流壩數(shù)量眾多的工程項目，為減小壩體高度和減少下游堰堰面曲線的重復(fù)計算，優(yōu)化壩體結(jié)構(gòu)，可以使堰頂作用的最大水頭Hmax分別控制在少數(shù)幾個區(qū)間之內(nèi)，這樣小型重力溢流壩定型設(shè)計水頭就能采用幾個相同類型的數(shù)值，并結(jié)合壩的上下游壩坡，確定堰曲線；灌區(qū)各擋水壩溢流壩段溢流堰布置為無閘開敞式自由溢流，溢流堰為實用堰，單孔布置。

利用開敞式WES型實用堰泄流能力計算公式，由已知設(shè)計流量，將各擋水壩校核流量對應(yīng)的堰上總水頭控制在開始所選區(qū)間之內(nèi)，通過試算法，來選定灌溉片區(qū)每個擋水壩的堰流凈寬，并做出對應(yīng)的各擋水水壩水位—流量關(guān)系；通過上述計算方法，可以解決灌溉片區(qū)內(nèi)多座取水壩同時進(jìn)行設(shè)計、計算制圖煩瑣的問題，避免不必要的重復(fù)設(shè)計工作，提高水工專業(yè)設(shè)計效率。

【參考文獻(xiàn)】

【1】孫君森，林鴻鎂.重力壩設(shè)計新思路[J].水利學(xué)報，2004，35（2）：62-67.

【2】孫君森，林鴻鎂.最優(yōu)重力壩設(shè)計[J].水力發(fā)電，2003，29（2）：16-19.endprint