九里水库溢洪道除险加固工程设计
2011-06-08许春波程玉珍
许春波，程玉珍
(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)
九里水库溢洪道除险加固工程设计
许春波，程玉珍
(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)
九里水库位于黑龙江省尚志市一面坡镇九里村北，位于万山乡水库屯西北0.2 km处，是以农业灌溉为主、兼顾防洪、养鱼的小(1)型水库。溢洪道主要由进口段、控制段、泄槽段、消力池段及海漫段等部分组成。文章阐述了利用原临时溢洪道位置进行重建溢洪道的加固方案。
溢洪道;控制段;稳定;渗流;消能
九里水库位于黑龙江省尚志市一面坡镇九里村北，位于万山乡水库屯西北0.2 km处，蚂蚁河右岸一级支流上，距尚志市区37 km，行政上隶属尚志市直接管辖。水库坝址以上流域面积为16.4 km2，坝址地理坐标为 E128°10'，N45°07'。
1 工程现状
水库于1958年开始兴建，是以农业灌溉为主、兼顾防洪、养鱼的小(1)型水库。水库灌溉水田面积133.3 hm2，对下游的水库屯、水田屯及一面坡镇至苇河镇的公路起到一定的防洪作用。由于水库设计资料丢失，原设计的特征水位均无法考证。水库现状死水位95.00 m，死库容2.67万m3，正常蓄水位97.50 m，相应库容49.0万m3。
本次设计采用10 a一遇洪水设计，50 a一遇洪水校核。设计洪水位为98.67 m，相应库容为92.20万m3，相应泄量为18.90 m3/s;校核洪水位为99.40 m，相应库容为127.88万 m3，相应泄量为39.33 m3/s。
九里水库为Ⅳ等工程，主要建筑物为4级，主体工程由土坝、溢洪道和输水洞3部分组成。
溢洪道现状为临时性的，用柳树条堆砌的一简易过流断面。
2 工程布置
2.1 溢洪道加固方案
本次设计利用原临时溢洪道的位置进行重建。
2.2 溢洪道规模方案比较
由于本工程属于小(1)型水库，在工程管理方面相对薄弱，并且水库集水面积小、汇流时间短、洪水来得急，从安全调度和防洪安全、启闭设备易丢失和损坏、没有自动预报系统配合调度，没有提前预泄能力，安全难以保证。因此，溢洪道本次设计采用无闸控制。
根据九里水库兴利规模，初拟4个方案进行比较，堰型为宽顶堰，堰顶高程97.50 m，堰宽6.0 m、10.0 m、15.0 m，20.0 m进行溢洪道规模比较，调洪成果见表1。按各方案水位及泄量分别计算溢洪道及土坝加固的工程量及造价，见表2。
表1 九里水库溢洪道调洪成果表
表2 不同溢洪道方案比较表
从表2中可以看出，方案2：当堰宽10.0 m时，溢洪道及土坝造价最低，采用堰宽10.0 m宽顶堰方案。所以本次设计把溢洪道新建在原溢洪道中心线，桩号0+568处，堰宽10 m无闸控制宽顶堰方案做为选定方案。
2.3 溢洪道工程布置
溢洪道位于土坝右岸，桩号为0+568处。采用无闸开敞式溢洪道。溢洪道为1孔，孔净宽10.0 m，堰型为宽顶堰，堰顶高程97.50 m，主要由进口段、控制段、泄槽段、消力池段及海漫段等部分组成。
2.3.1 进口段
由进口护砌段和进口钢筋混凝土“U”槽段组成。进口段全长12.46 m，进口高程96.50 m，出口高程97.50 m。
2.3.2 进口护砌段
进口两侧采用悬臂式挡土墙。单侧圆弧墙长7.70 m，半径为4.90 m，圆心角为90°，进口底板长4.46 m，护砌型式为干砌块石厚30 cm;下设砂卵石垫层15 cm及无纺布一层。
2.3.3 进口钢筋混凝土“U”槽段
该段与闸室段连接，长8 m，底宽10 m，底板厚1.2 m。
2.3.4 控制段
采用钢筋混凝土“U”型槽结构，长6.0 m，1孔，孔净宽10 m，底板厚1.5 m，宽顶堰结构，堰顶高程97.50 m，边墩顶宽1.0 m，墩顶高程100.20 m，为无闸控制，交通桥宽4.0 m。控制段两侧刺墙长5.0 m，顶宽0.4 m，底宽0.8 m。
2.3.5 泄槽段
采用钢筋混凝土“U”型槽结构，长16.20 m，分2节，第1节长8.0 m，第2节长8.20 m，底宽10 m，泄槽段底板纵坡坡比为1∶3，底板厚1.2 m。
2.3.6 消力池段
采用钢筋混凝土“U”型槽结构，消力池挖深1.2 m，底宽10 m，池长14.5 m，底板顶高程92.10 m，厚1.2 m，出口两侧接悬臂式挡土墙，单侧墙长4.92 m。
2.3.7 海漫段
分两段，全长30.0 m，直线段长为2.76 m，圆弧段长27.24 m，转弯半径为30.0 m，海漫段底宽为10.0 m，渠底高程为93.30 m。海漫段护砌采用厚30 cm干砌块石护砌，下设15 cm砂卵石垫层及无纺布一层。边坡1∶2.0。海漫段后接出水渠。
3 工程设计
3.1 水力计算
3.1.1 泄流能力计算
采用《溢洪道设计规范》(SL253-2000)中宽顶堰泄流能力计算公式：
式中：Q为流量，m3/s;B为溢流堰总净宽，m;H0为堰上水头，m;m为流量系数;ε为收缩影响系数。计算成果见表3。
表3 溢流堰过流能力计算成果表
3.1.2 陡坡段水面线计算
陡坡段水面线根据能量方程，用分段求和法计算泄槽水面线，计算公式为：
式中：Δl1-2为分段长度，m;h1为泄槽起始断面水深，m;h2为泄槽末端断面水深，m，经试算得;a1、a2分别为流速分布不均匀系数，取1.05;i为泄槽底坡，i=1/3;θ为泄槽底坡角度，θ=18.43°;为泄槽平均摩阻坡降;n为泄槽槽身糟率系数，n=0.012;为槽内平均流速=(v1+v2)/2，m/s;为泄槽内平均水力半径=(R1+R2)/2，m。
对于矩形断面泄槽的临界水深计算公式为：
式中：q为泄槽的单宽流量，m3/s·m;α为动能修正系数，可近似地取为1.05;g为重力加速度，取9.8 m/s2。
泄槽上接宽顶堰，水深h1选用泄槽首端断面计算的临界水深hk，设计和校核情况下临界水深分别为0.714 m和1.164 m。溢洪道水面线计算成果见表4。
表4 水面线计算成果表 m
3.1.3 消能计算
根据九里水库的地形及地质条件，适宜做底流消能，确定消能方式采用底流消能。
3.1.3.1 消力池深度计算
1)收缩水深计算公式为：
式中：hc为收缩水深，m;T0为总势能，m;q为过闸单宽流量，m3/s/m;σ为水流动能校正系数，取1.0值;φ为流速系数，取0.95值。
2)跃后水深计算公式为：
3)出池落差计算公式为：
式中：ΔE为出池落差，m;为出池河床水深，m。
4)消力池深度计算公式为：
式中：σ0为水跃淹没系数，可采用1.05～1.10。
3.1.3.2 消力池长度计算
1)水跃长度计算公式为：
式中：Lj为水跃长度，m。
2)消力池长度计算公式为：
式中：Lsj为消力池长度，m;Ls为消力池斜坡段投影长度，m;β为水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8。
3.1.3.3 海漫长度计算
计算公式为：
式中：Lp为海漫长度，m;q'为消力池末端单宽流量，m3/s/m;ks为海漫长度计算系数。经计算消力池池深、池长由校核情况控制，计算结果见表5。
表5 溢洪道消能计算成果表
3.2 稳定验算
溢洪道的主要结构计算包括闸室段及挡土墙的稳定计算及应力分析。
3.2.1 闸室稳定计算
抗滑稳定计算采用抗剪断强度公式，计算公式为：
式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数;∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载(包括闸室基础底面上的扬压力在内)，kN;∑H为作用在闸室上的全部水平向荷载，kN;［Kc］—闸室沿基础底面的容许抗滑稳定安全系数;f为闸基底面与岩基接触面的抗剪断摩擦系数，f=0.30。
3.2.2 闸室段地基应力分析
计算公式为：
式中：B为闸室段长，m;e为偏心距，m;σmax、σmin为最大最小应力，kPa;∑G为作用于堰体上的全部竖向荷载，kN;∑M为作用于堰体上的全部竖向荷载和水平荷载对地基面垂直水流方向的形心力矩，kN·m;η为不均匀系数。闸室及挡土墙稳定分析成果见表6。
表6 溢洪道稳定计算表
经计算，基底垂直正应力均为压应力，正应力值均在本次地质报告中给出的基础低液限黏土的承载力闸室段［σ］=120 kPa，出口挡土墙段［σ］=160 kPa，抗滑稳定安全系数均满足规范要求。
3.3 渗流分析
溢洪道上、下游水位差H设为3.35 m、H校为3.52 m，基础为黏土。渗径系数C=3～4，取C=4。
为满足渗流稳定要求，防渗长度必须满足以下公式：
式中：L为防渗长度，m;C为渗径系数，取4;ΔH为上下游水头差，m。经计算渗径长度L=3.52×4=14.08 m。本次设计溢洪道的防渗长度为64.66 m大于渗径长度，渗流稳定。
4 结语
水库除险加固后，可以从根本上解除水患，改善农业生产条件，增强抗御水旱灾害的能力，促进农村经济发展，增加农民收入，保护和改善了水库下游防洪安全，为促进社会稳定发展、提高种植业经济效益，加快区域地方政治、经济、文化等发展起到积极的作用。
［1］中华人民共和国水利部.GB50201-94防洪标准［S］.北京：中国计划出版社，1994.
［2］江苏省水利勘测设计研究有限公司.SL379-2007水工挡土墙设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2007.
［3］水利部天津水利水电勘测设计研究院.SL253-2000溢洪道设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2000.
［4］江苏省水利勘测设计研究院.SL265-2001水闸设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2001.
TV651.1
B
1007-7596(2011)06-0085-03
2011-05-05
许春波(1977-)，女，黑龙江双鸭山人，工程师;程玉珍(1966-)，女，黑龙江兰西人，高级工程师。
