基于王家油房水庫(kù)水利計(jì)算及壩坡穩(wěn)定探析

彭 軍

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

基于王家油房水庫(kù)水利計(jì)算及壩坡穩(wěn)定探析

彭 軍

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

由于該地區(qū)水資源比較貧乏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足農(nóng)業(yè)用水需要，這在很大程度上阻礙了農(nóng)業(yè)發(fā)展，為改變這種狀況，就必須興修水利，攔蓄地表水，開發(fā)利用地表水、地下水。故修建王家油房水庫(kù)，為此對(duì)該水庫(kù)進(jìn)行了水利計(jì)算及對(duì)壩坡穩(wěn)定進(jìn)行了分析。

土壩；水利計(jì)算；壩坡穩(wěn)定；王家油房水庫(kù)

1 概 述

昌圖縣老四平鄉(xiāng)王家油房水庫(kù)，根據(jù)實(shí)地調(diào)查，壩址選定在太平河中游，壩址距發(fā)源地12.87km,控制面積7.04km2，距壩址2.48km上游有小(1)型水庫(kù)一座，北洼子水庫(kù)20a設(shè)計(jì)最大下泄洪峰流量為40.4m3/s,50a該河最大下泄洪峰流量51.2 m3/s。流域內(nèi)多位于丘陵地帶，河兩岸為農(nóng)田，河道常流水，汛期流量較大。

2 水利計(jì)算

2.1 壩高庫(kù)容計(jì)算

根據(jù)壩址地形圖用等高線計(jì)算法得出王家油房庫(kù)容計(jì)算見(jiàn)表1。

其具體方法如下:

利用庫(kù)區(qū)地形圖,等高距按地形條件選擇,本設(shè)計(jì)取1m,計(jì)算時(shí)首先量出各等高線的面積,再計(jì)算各層庫(kù)容及累計(jì)庫(kù)容,相鄰兩條等高線的體積為：

Vn=(Fn+Fn-1)/2×Hn

(1)

式中：Vn為相鄰兩等高線之間的體積；Fn,Fn-1為相鄰兩等高線對(duì)應(yīng)的面積；Hn為兩相鄰等高線的高差。

2.2 墊底庫(kù)容計(jì)算

墊底庫(kù)容應(yīng)滿足泥沙淤積要求：

V墊=G(1+E)×T/r

(2)

式中：G—懸移質(zhì)多年平均輸沙量G=gF其中g(shù)為多年平均輸沙模數(shù)，查《水文手冊(cè)》，g=400t/km2，F(xiàn)為流域面積F=7.04km2，則G=gf=400×7.04=2816t；T為設(shè)計(jì)淤積年限20a；E為推移質(zhì)占懸移質(zhì)比重取E=20%；r為泥沙容重，r=1.4t/m3。

V墊=G(1+E)×T/r=2816×(1+20%)×20/1.4=4.83萬(wàn)m3

查圖1 Z-V曲線，得死水位Z死=95.90m。

表1 王家油房水庫(kù)水位、庫(kù)容表

由上表繪出Z-V曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 王家油房水庫(kù)z-v曲線

2.3 防洪庫(kù)容和設(shè)計(jì)洪水位的確定

防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年設(shè)計(jì)，50年校核。采用概化三角形法進(jìn)行調(diào)洪演算。本設(shè)計(jì)采用開敞式寬頂堰溢洪道，不設(shè)閘門，寬度取B=25m，根據(jù)寬頂堰泄流公式：

q=MBh1.5

(3)

計(jì)算不同堰上水頭h時(shí)的下泄流量、滯洪庫(kù)容、總水位等，列于表2。

表2 王家油房水庫(kù)下泄流量、庫(kù)容、水位表

用上表繪q-V滯曲線，見(jiàn)圖2。

由qm=Qm(1-v滯/Wp)繪制qm-v滯曲線，見(jiàn)圖2。

在圖中查得最大下泄流量qm=49.55 m3/s；V滯=23.61萬(wàn)m3

圖2 王家油房q-v滯曲線

V總=V正+V滯=20.54+.23.61=44.15萬(wàn)m3；

查得Z校=98.76m，堰上水頭H=1.18m。

驗(yàn)證溢洪道寬：

B=qm/(MH1.5)=49.55/(1.5×1.181.5)=24.90m-25m；

故溢洪道寬可以取B=25m。

由上圖可查得：

1)設(shè)計(jì)時(shí)的最大下泄流量：

qm設(shè)= 31.44m3/s，V設(shè)=37.26萬(wàn)m3。

V滯= 16.72萬(wàn)m3，Z設(shè)=98.45m。

2)校核時(shí)的最大下泄流量

qm=49.55m3/s，V滯=23.61萬(wàn)m3。

V校=44.15萬(wàn)m3，Z校=98.76m。

2.4 壩頂高程的計(jì)算

本設(shè)計(jì)按七級(jí)風(fēng)，庫(kù)面長(zhǎng)度2.6m，壩頂高程的確定參照《小型水庫(kù)工程》按下式計(jì)算

▽壩頂=▽洪+hB+δ，
▽壩頂=▽洪+d

(4)

式中：hB為風(fēng)浪爬高，m，由表3查得；δ為安全超高，m，由表4查得；d為靜水位以上的超高值，m，由表4查得。

表3 風(fēng)浪爬高表

表4 超高表

1)正常運(yùn)行時(shí)(設(shè)計(jì)洪水時(shí))：

▽壩頂=▽洪+hb+δ=98.45+0.95+0.4=99.8m；

▽壩頂=▽洪+d=98.45+0.7=99.15m；

則正常運(yùn)行時(shí)壩頂高程為99.8m。

2)非正常運(yùn)用時(shí)(校核洪水時(shí))：

▽壩頂=▽洪+hb+δ=98.76+0.95+0.3=100.01m；

▽壩頂=▽洪+d=98.76+0.5=99.26m；

則正常運(yùn)行時(shí)壩頂高程為100.01m。

通過(guò)以上計(jì)算▽壩頂=100.01m。

3 土 壩

3.1 壩型選擇

當(dāng)?shù)仞ね镣亮县S富，適宜建壩，為了方便于是選擇碾壓式均質(zhì)黏土壩。

3.2 土壩的斷面尺寸及構(gòu)造

3.2.1 壩高

根據(jù)第一部分水文水利計(jì)算的壩頂高程，壩高由下式確定：

H壩高=▽壩頂-▽壩底=100.01-94=6.01m。

壩基可能發(fā)生沉陷，應(yīng)預(yù)留沉陷高度為壩高的1.0%，所以壩高為6.07m。

3.2.2 壩頂寬度

因壩頂有通車要求，按單車道考慮，選擇寬為5m。

3.2.3 坡度及護(hù)坡

1)土壩坡度：因均質(zhì)土壩，壩高<15m，且壩頂寬5m，所以選上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡為1∶2.25。

2)護(hù)坡：為了保護(hù)壩面不受風(fēng)浪淘刷、漂浮物、冰凍等的破壞，防止雨水沖刷、干裂、穴居動(dòng)物的破壞以及下游有水部位的波浪、冰凍和水流作用的破壞，上下游壩面都應(yīng)設(shè)置護(hù)坡。上游護(hù)坡因受風(fēng)浪的沖擊力較大，所以采用砌石護(hù)坡。該壩壩高較小，護(hù)坡從壩頂?shù)綁蔚住K石尺寸一般為30-40cm，為了防止波浪淘刷及庫(kù)水位驟降時(shí)，滲水的破壞作用，護(hù)坡下應(yīng)鋪設(shè)反濾層。反濾層用粒徑不同的2—3層無(wú)黏性土(砂、礫石、卵石或碎石)做成，每層厚度為20cm，設(shè)置兩層，總厚度為40cm。下游坡采用草皮護(hù)坡，在壩坡上鋪腐殖土，厚0.1-0.2m，上面種草或移植草皮[1-3]。

3)壩體防滲：均質(zhì)土壩因壩體土料采用黏土，黏土透水性較小，不需另做防滲設(shè)備。

4)壩基防滲：壩基與壩體土質(zhì)相同，可直接在清基后回填。清基厚度取0.4m。

5)壩基排水：因當(dāng)?shù)厥陷^少，為了節(jié)省石料，采用斜臥式排水設(shè)備，其頂寬1.0m，邊坡與土壩下游坡相同為1∶2.25，排水設(shè)備由砂子、碎石、及塊石3種材料組成。

3.3 土壩穩(wěn)定計(jì)算

1)壩坡穩(wěn)定分析主要考慮如下3種情況：①水庫(kù)為正常高水位時(shí)，且浸潤(rùn)線已形成，此時(shí)滲透水壓力指向下游。此時(shí)是影響下游壩坡穩(wěn)定的最不利水位。故下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算，只考慮正常高水位時(shí)下游壩坡穩(wěn)定即可；②上游水位處于1/3壩高時(shí)，是對(duì)上游壩坡穩(wěn)定最不利的水位，所以在計(jì)算上游壩坡穩(wěn)定時(shí)應(yīng)按1/3壩高水位時(shí)計(jì)算；③庫(kù)水陡漲陡落及地震時(shí)土壩的穩(wěn)定計(jì)算。對(duì)于小型水庫(kù)不必考慮[4-6]。

2)壩坡的安全系數(shù)：此工程為Ⅳ級(jí)建筑物，取Fs正=1.20，F(xiàn)s校=1.05，參照《中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)》。

3.4 土壩穩(wěn)定的計(jì)算

土壩穩(wěn)定的計(jì)算采用條分法，因計(jì)算量大，本設(shè)計(jì)只進(jìn)行下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算。具體步驟如下：

1)參照以上壩體設(shè)計(jì)和滲透計(jì)算畫壩體剖面圖及浸潤(rùn)線見(jiàn)圖3。

2)用圖解法確定用圖解法確定危險(xiǎn)圓弧滑裂面圓心的位置O1，O2。

3)以O(shè)1，O2，…，Oi，…為圓心，以O(shè)iBi為半徑做一個(gè)滑動(dòng)圓弧ABOi如圖3，并假定厚度為1m、壩體比例尺為1∶100。

4)取分條為等寬b=0.1R，將圓弧內(nèi)土體分成寬度為b的鉛直土條，以O(shè)iO開始以寬度b向左右兩側(cè)量取，即得到條塊中心的位置，過(guò)OiO的一條為零條，以左被分為1、2、…條，以右被分為-1、-2、…條[7-8]。

5)由圖上量出每一條塊中心線的各種土體高度Hi，當(dāng)最后的條塊的寬度去不為整數(shù)時(shí)，可近似地化為寬度為b的條塊計(jì)算，即Hn=s/b。

6)計(jì)算出屬于同一土體的圓弧長(zhǎng)度Li，計(jì)算凝聚力。

7)求出Oi位置的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

8)找出最危險(xiǎn)滑弧圓的位置，計(jì)算安全系數(shù)。

(4)

式中：Li為每一類土構(gòu)成的土塊的底部圓弧長(zhǎng)；ai為土塊與OiO的夾角。

壩體與壩基土料相同，距北洼子水庫(kù)提供土料資料見(jiàn)表5。

注：γd土體容重。凡在浸潤(rùn)線以上的均用濕容重(γd)，在浸潤(rùn)線以下，當(dāng)計(jì)算滑動(dòng)力時(shí)用飽和容重(γs)，計(jì)算抗滑力時(shí)用浮容重(γb)，在以上情況所取容重在計(jì)算Fs時(shí)，得出Fs比實(shí)際值小，這樣有利于壩體的穩(wěn)定。

同理，可得O2…，On時(shí)正常情況下Fs>1.20，校核情況下Fs>1.05，所以結(jié)構(gòu)安全。

圖3 壩體穩(wěn)定計(jì)算圖

3.5 壩體土方量計(jì)算

壩體土方計(jì)算列于表6，壩長(zhǎng)的確定方法:由壩高+壩底高程即得所設(shè)計(jì)壩高時(shí)的高程,在地形圖上定出該高程的等高線,等高線與壩中軸線相交,兩交點(diǎn)之間的距離即為壩長(zhǎng)。

表6 土壩土方計(jì)算表

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)水工建筑物的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。以實(shí)際調(diào)查的水量、地形和地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，立足于安全、經(jīng)濟(jì)可行對(duì)該水庫(kù)進(jìn)行了水利計(jì)算。為了宣泄規(guī)劃庫(kù)容所不能容納的洪水，防止洪水漫壩頂，對(duì)大壩的穩(wěn)定性能進(jìn)行了分析，以保證大壩安全，滿足于下游河道水流情況相同而減少對(duì)河岸的沖刷的要求，確保河床以及河岸的安全。

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1007-7596(2017)10-0117-04

TV139.1

B

2017-09-20

彭軍(1977-)，男，遼寧鞍山人，工程師，從事水文勘測(cè)和水資源研究工作。