白珠廟水庫溢洪道加固設(shè)計(jì)分析

肖 莉

(江西省吉安市青原區(qū)河?xùn)|街道辦事處，江西 吉安 343000)

1 工程概況

白珠廟水庫位于青原區(qū)富灘鎮(zhèn)社山村委繞遠(yuǎn)村，壩址距富灘鎮(zhèn)5.0km，距青原區(qū)中心城區(qū)20.0km。庫區(qū)地形以低山丘陵為主，分水嶺最髙點(diǎn)海拔489.7m，植被較好。水庫總庫容143.7萬m3；設(shè)計(jì)灌溉面積266.67hm2，實(shí)際灌溉面積146.67hm2，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的小(1)型水庫。

水庫地理位置十分重要，下游有富灘鎮(zhèn)社山等村委0.42萬余人、耕地266.67hm2及青東公路等重要交通設(shè)施，水庫一旦失事，將給下游人民生命財(cái)產(chǎn)和國家重要基礎(chǔ)設(shè)施造成重大損失。

溢洪道地處低山地形，廣泛分布第四系殘坡積層地層，巖性為灰黃色粉質(zhì)黏土局部夾少量碎石。兩岸邊坡陡立，雜草叢生，坡比約為1∶0.2，穩(wěn)定性差，易發(fā)生邊坡塌滑。渠底和邊坡均無任何襯護(hù)設(shè)施，無消能措施，下泄水流極不順暢，淤塞較嚴(yán)重，影響行洪安全。

2 溢洪道加固設(shè)計(jì)

2.1 溢洪道控制段設(shè)計(jì)

2.1.1 溢洪道控制段泄流能力計(jì)算

白珠廟水庫溢洪道位于庫區(qū)左岸山坳中，控制段為開敞式寬頂堰，堰頂高程93.00m，堰頂寬5.5m，泄流能力按寬頂堰下列公式計(jì)算：

(1)

式中：B為溢流堰凈寬，5.5m；H0為包括行近流速水頭的堰前水頭；m為流量系數(shù)，取0.34。

經(jīng)計(jì)算溢洪道下泄流量與庫水位關(guān)系見表1。

表1 白珠廟水庫庫水位-下泄流量曲線表

本次對白珠廟水庫調(diào)洪演算得水庫設(shè)計(jì)洪水位(P=3.33%)94.57m，相應(yīng)下泄流量17.6m3/s；校核洪水位(P=0.33%)95.29m，相應(yīng)下泄流量29.6m3/s。

2.1.2 溢洪道寬頂堰設(shè)計(jì)

寬頂堰底板采用C25混凝土襯砌，厚50cm，兩側(cè)新建C15混凝土擋墻，頂寬0.5m，墻高3.59m(加基礎(chǔ)埋深0.8m)，底寬2.616m，墻面坡比為1:0.4。

依據(jù)勘測資料、水庫的調(diào)洪演算成果以及《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5077-1997)，計(jì)算出側(cè)向土壓力、墻背土自重、邊墻自重、墻前水壓力、墻后水壓力，揚(yáng)壓力，地基反力等荷載標(biāo)準(zhǔn)值，再將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的荷載設(shè)計(jì)值。

1)溢洪道寬頂堰邊墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算按下式計(jì)算：

(2)

式中：Kc為按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為邊墻混凝土與巖的抗剪摩擦系數(shù)，0.46；∑W為作用于邊墻上的全部荷載對計(jì)算滑動面的法向分量，kN；∑P為作用于邊墻上的全部荷載對計(jì)算滑動面的切向分量，kN。

2)基底應(yīng)力按下式計(jì)算：

(3)

式中：∑W為所有垂直力總和，kN；e為荷載作用于基礎(chǔ)底面上的偏心矩，按下式計(jì)算：

(4)

式中：B為底板的寬度，m。

3)抗傾覆計(jì)算按下式：

(5)

式中：∑My為作用于墻體的荷載對墻前趾產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩，kN·m；∑Mo為作用于墻體的荷載對墻前趾產(chǎn)生的傾覆力矩，kN·m；K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)[1]。

寬頂堰邊墻典型斷面穩(wěn)定及應(yīng)力結(jié)果見表2。

表2 寬頂堰邊墻穩(wěn)定計(jì)算表

從上表可知寬頂堰邊墻抗滑穩(wěn)定、抗傾覆、基底應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

2.2 溢洪道泄槽段設(shè)計(jì)

2.2.1 泄槽段水面線計(jì)算

本次加固設(shè)計(jì):沿現(xiàn)有地形布置兩級泄槽，總長72.0m，底寬均為5.5m。一級泄槽長50.0m，縱坡i=0.02，進(jìn)口底高程93.0m，末端底高程92.0m；二級泄槽長22.0m，縱坡i=0.17，進(jìn)口底高程92.0m，末端底高程88.20m；泄槽段底板均為C20混凝土底板，厚30cm。

1)臨界水深的計(jì)算

泄槽斷面為矩形斷面，其臨界水深hk計(jì)算由得：

(6)

式中：α為流速分布不均勻系數(shù),α=1.05；g為重力加速度，g=9.81；q為單位寬度通過的流量(q=29.6/5.5=5.38m3/s)。

取校核洪水位溢洪道相應(yīng)下泄流量進(jìn)行計(jì)算，得臨界水深hk=1.46m。

2)陡坡臨界底坡計(jì)算

臨界底坡的計(jì)算式如下：

(7)

式中：濕周xk=b+2hk；過水?dāng)嗝婷娣eωk=b×hk；謝才系數(shù)CK=(R1/6)/n，n=0.017；水力半徑Rk=ωk/xk。

經(jīng)計(jì)算得ik=0.004，小于實(shí)際縱坡i=0.02，則泄槽段均為陡坡。

根據(jù)《規(guī)范》(SL253-2000)，用分段求和法計(jì)算溢洪道泄槽水面線，再考慮摻氣影響及安全加高，可算出需要的邊墻高度。由泄槽首端的水深hk=1.46m，采用下列公式計(jì)算可推求其它斷面水深：

(8)

式中：△I1-2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；a1、a2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=tg，θ=0.02；J為分段內(nèi)平均摩阻坡降；n為泄槽槽身糙率系數(shù),取0.017；v為分段平均流速，m/s；R為分段平均水力半徑，m。

2.2.2 泄槽段邊墻穩(wěn)定計(jì)算

泄槽段兩側(cè)新建C15混凝土擋墻，頂寬0.5m，最大墻高3.3m(基礎(chǔ)埋深0.8m)，底寬2.5m，墻面坡度1∶0.4，具體尺寸見附圖。計(jì)算公式同前，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 泄槽段邊墻穩(wěn)定計(jì)算成果表

2.2.3 泄槽段底板安全計(jì)算

泄槽邊墻順?biāo)鞣较蛎扛?0.0-12.0m設(shè)一條分縫，泄槽底板與邊墻前設(shè)結(jié)構(gòu)縫分開，取第一塊底板進(jìn)行安全計(jì)算。

1)根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，底板的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)采用以下公式計(jì)算：

(9)

式中：Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；θ為底板底面與水平面的交角(θ=arctan(i))；P1為底板的自重；P2為底板頂上的時(shí)均壓力，p2=(ρwghcosθ)·A；P3為當(dāng)采用錨固措施時(shí)，地基的有效重量；Q1為底板頂面上的脈動壓力，按下式計(jì)算：

(10)

式中：βm為面積均化系數(shù)，取0.1；pfr為脈動壓強(qiáng)；Kp為脈動壓強(qiáng)系數(shù)，取0.025；v為相應(yīng)計(jì)算斷面的平均流速；Q2為底板底面的揚(yáng)壓力。

2)底板抗滑穩(wěn)定按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算：

(11)

式中：K為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑W為作用于底板上的全部荷載對計(jì)算滑動面的法向分量，kN；∑P為作用于底板上的全部荷載對計(jì)算滑動面的切向分量，kN；f＇為底板混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，0.46；c＇為底板混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力，0.09MPa；A為底板與基巖接觸面的截面積。

白珠廟水庫溢洪道泄槽段底板厚30cm，計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，特殊組合[K]=2.5、[Kf]=1.0-1.2， 從上表計(jì)算結(jié)果可知：泄槽段底板的抗滑穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均大于允許值，所擬底板厚度滿足要求[2]。

2.3 消能防沖設(shè)計(jì)

2.3.1 消力池設(shè)計(jì)

本次加固消能方式采用底流消能，在泄槽末端修建一下挖式消力池。消力池結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)按《規(guī)范》(SL253-2000)中推薦的公式計(jì)算。本工程消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用P=5%，最大下泄流量為15.3m3/s，消力池寬5.5m，消能采用底流消能型式，其池深、池長計(jì)算公式為：

(12)

L=9.5(Fr1-1)h1(1.7< Fr1<9.0時(shí)，水躍長度Lj的計(jì)算公式)

式中：d為池深，m；σ為水躍淹沒度，取σ=1.05；h2為池中發(fā)生臨界水躍時(shí)的躍后水深，m；△Z為消力池尾部出口水面跌落，m；Q為流量，m3/s；b為消力池寬度，5.5m；φ為消力池出口段流速系數(shù)，取0.95；L為自由水躍長度，m；Lk為池長，m。

經(jīng)計(jì)算在P=5%洪水情況下，消力池池深S=0.71m，池長消力池LK=8.95m。為施工方便取池深S=0.8m，池長LK=10.0m。

2.3.2 消力池底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算

消力池底板C25混凝土襯砌厚50cm，底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算公式同前，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 消力池底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算結(jié)果表明：消力池底板滿足抗浮要求。

2.3.3 消力池邊墻穩(wěn)定計(jì)算

消力池兩側(cè)新建C15混凝土擋墻，頂寬0.5m，墻底寬H=σhc″+S=2.80×0.4+1.5=2.62m，設(shè)計(jì)消力池?fù)鯄Ω邽?.6m(基礎(chǔ)埋深0.8m)，墻面坡度1∶0.4，具體尺寸見附圖。計(jì)算公式同前，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 消力池邊墻穩(wěn)定計(jì)算表

從上表可知，新建消力池邊墻抗滑穩(wěn)定、抗傾覆、基底應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

2.4 出水渠段加固設(shè)計(jì)

為防止下泄水流沖毀農(nóng)田，本次加固設(shè)計(jì)需新開挖出水渠，出水渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用10a一遇，最大下泄流量為12.0m3/s。對渠槽進(jìn)行清淤、平順坡底，長26.5m(樁號0+092.5-0+119)，底寬5.5m，底坡根據(jù)實(shí)際地形取i=0.04。樁號0+092.5-0+119開挖、規(guī)整成梯形斷面，不予襯砌。

出水渠按明渠均勻流進(jìn)行水力計(jì)算：

(14)

式中：A為過水?dāng)嗝婷娣e；B為渠道底寬，B=5.5m；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；n為渠道糙率，n=0.025；i為渠道底坡，i=0.04；H為過水?dāng)嗝嫠睿琺。

經(jīng)計(jì)算樁號0+076-0+090水深0.5m，安全超高取0.5m，則出水渠開挖高度取1.0m。

3 結(jié) 論

白珠廟水庫是以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的小(1)型水庫，總庫容143.7萬m3。本次溢洪道加固工程可消除各水工建筑物的潛在安全隱患，保證工程正常運(yùn)行和設(shè)計(jì)效益的正常發(fā)揮，增加下游河道的防洪能力，具有重大效益。