海龙川水库溢洪道加固设计与计算分析

2015-12-18张艳丽

水利技术监督 2015年1期

张艳丽

(海城市水利工程建设质量安全监督站，辽宁海城 114200)

1 工程概况

海龙川水库位于海城市南部，坝址位于岔沟镇海龙川村，水库集雨面积2.94km2，属于山区小型水库。水库主要由拦河大坝、输水洞、开敞式溢洪道组成。水库原设计总库容20.6万m3，防洪库容为10.2万m3，兴利库容9.9万m3，属于小(二)型水库，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级。

2 安全鉴定与除险加固方案

根据水库大坝安全鉴定评价结论，海龙川水库属三类坝，为病险水库，不能满足水库工程安全运行。依据《碾压土石坝设计规范》(SL274-2001)及水利部和省水利厅关于病险水库除险加固实施方案等规定，鉴于海龙川水库存在诸多严重的问题，尤其溢洪道右侧山体局部脱坡，底板年久失修。经鉴定为病险水库，必须进行除险加固处理。因此，对水库溢洪道右侧山体加固，进行削坡清除风化层，使坡度达到稳定。拆除重建溢洪道底板及边墙。

3 工程布设与计算分析

3.1 布置设计

海龙川水库原来溢洪道为开敞式宽顶堰，无闸门控制，堰顶高程264.50m，净宽20.00m。现在将溢洪道除险加固为开敞式河岸溢洪道，无闸门控制。溢洪道由引水渠，控制段，泄槽段，消能段，尾水渠组成。

3.2 进口宽顶堰泄流能力计算

泄流能力按《水力工程设计计算手册》无底坎宽顶堰泄流进行计算:

式中:

Q——流量，m3/s;

B——总净宽，m;

H0——计入流速水头的堰上总水头，m;

m——宽顶堰流量系数，取0.385;

ε——侧收缩系数，取1.0。

水库20年一遇设计洪水位266.16m，相应库容14.63×104m3，最大泄量63.02m3/s;200年一遇校核洪水位267.00m，相应库容17.7×104m3，最大泄量117m3/s。

3.3 泄槽水面线计算

泄槽水面线根据能量方程，用分段求和法计算，根据《溢洪道设计规范》(SL253-2000)附A.3公式:

式中:△l1－2——分段长度，m;

h1、h2——分段始、末断面水深，m;

v1、v2——分段始、末断面平均流速，m/s;

α1、α2——流速分布不均匀系数，取1.05;

θ——泄槽底坡角度，(°);

i——泄槽底坡，i=tgθ;

n——泄槽槽身糙率系数;

根据《水力计算手册》要求，当水流通过泄水建筑物时的断面平均流速大于6～7m/s时，则需要考虑掺气影响。泄槽的掺气水深可按下式估算:

式中:

h、hb——泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m;

v——不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s;

ζ——修正系数，可取1.0～1.4s/m，流速大者取大值。

3.4 泄槽挡土墙顶高程计算

根据规范要求，泄槽挡土墙顶高度=校核水位泄槽水面线+A;式中A为安全超高，规范要求安全超高为0.5～1.5m，取0.5m。

泄槽水面线及挡土墙顶高度计算结果如下:当断面桩号0+020时，水深1.57m，过水断面面积ω为31.31m2，流速V为3.74m/s，掺气高度HB为0.06m，掺气水深h+HB为1.62m，安全超高为0.50m，计算墙高为2.12m，选用左墙高为2.20m，选用右墙高为2.20m。当断面桩号0+077时，水深0.44m，过水断面面积ω为8.78m2，流速V为13.33m/s，掺气高度HB为0.06m，掺气水深h+HB为0.50m，安全超高为0.50m，计算墙高为1.00m，选用左墙高为 1.20m，选用右墙高为1.20m。

3.5 消能复核

现有消力池为突槛式消力池，首端与陡槽末端直接连接，末端与泄水渠连接。消力池长度16m，宽度15m，槛高0.70m，下游泄水渠断面处水位249.56m。根据复核结果，消力池产生远离式水跃，消力坎高度不能满足要求，消力池长不满足消能要求。该设计只对原消力池进行加固处理，对消力池下游两侧挡墙拆除重建，对尾渠段做海漫防护，不修建二级消力坎。

3.6 加固结构设计和稳定计算

原溢洪道浆砌石挡墙及混凝土底板全部拆除重建。引水渠段重建浆砌石挡土墙;控制段边墙采用重力式混凝土挡土墙，左侧边墙与大坝连接处新建7m长钢筋混凝土刺墙插入粘土心墙中。泄槽段底板进行钢筋混凝土衬砌，重建泄槽段浆砌石边墙。原消力池拆除，重建钢筋混凝土消力池长16.0m，底板厚0.5m。

3.6.1 引水渠段

引水渠进口为喇叭口型式，进口宽22m，末端与堰体宽度相同为20.00m，两侧边墙采用M10浆砌石挡土墙，墙顶高程267.6m，墙顶宽0.50m，墙背坡比1∶0.5，墙净高2.70m，基础埋置深度1.20m，墙基用C20混凝土作为垫层0.5m。浆砌石材强度不小于MU30。

3.6.2 控制段

(1)结构设计。控制段采用钢筋混凝土结构，重建后的溢洪道堰面仍采用无底坎宽顶堰，堰顶高程为264.5m，溢流堰长度20m，宽度20m。原底板拆除，重建钢筋混凝土底板，厚度0.5m，前后端设置齿墙，齿深1.0m。底板表层布置钢筋网，采用 HRB335φ16@200网状布置，双向排列。控制段底板混凝土标号为C25，F200。控制段两侧边墙采用重力式混凝土挡土墙，墙顶高程267.6m，墙顶宽度50cm，底板高程以上墙高3.10m。基础埋置深度1.20m，左右墙全高4.30m，为了防止溢洪道左挡墙与右坝肩结合处产生渗流，因此回填黏土时心墙断面适当加大并夯实。底板共分6块，每块底板10m×10m。分缝材料为沥青木板。控制段边墙分缝位置与底板相对应，每10m一道。

(2)刺墙渗径计算。根据《水工建筑物》，L=CH，式中:L为刺墙防渗长度，m;H为上、下游水位差，m;H=267－264.5+1.2=3.7m;C为渗径系数。

粘土取4;L=14.8(m)，取15m，刺墙长度取7.5m。

在左侧坝顶处挡墙后部增加7m长钢筋混凝土刺墙，插入心墙中，回填粘土并夯实。刺墙断面尺寸，高3.90m，顶宽0.5m，底宽1.0m，与溢洪道控制段左边墙连成一体。边墙及刺墙混凝土标号为C25，F200。

3.6.3 泄槽段

(1)结构设计。泄槽段控制段泄槽底板采取0.3m厚钢筋混凝土衬砌，φ12钢筋网布置在表层。采用HRB335φ12@200网状布置，双向排列。衬砌与基岩连接设置锚筋，深度2m，间距2m，直径φ20，上部与钢筋网相连接。底板伸缩缝处设纵横排水体。泄槽底板分块:纵缝二道，边墙与底板连接处各一道，横缝与边墙相同，缝内设沥青木板。泄槽段底板混凝土标号为C25，F200。泄槽段边墙为重力式浆砌石挡土墙结构。泄槽段浆砌石挡墙底板以上净高度2.2～1.2m，左、右墙总高3.40～2.40m，墙基用C20混凝土作为垫层0.5m，挡土墙顶宽0.5m，墙背坡比1∶0.5。挡土墙每10m设1处分缝，位置与泄槽底板分缝相同。水泥砂浆标号M10。浆砌石材强度不小于MU30。

(2)泄槽浆砌石边墙稳定计算。

重力式挡土墙(最大墙高3.4m)，挡土墙的抗滑稳定计算公式如下:

式中:Kc——抗滑稳定安全系数;

∑W——作用于墙体上的全部垂直力总和(kN);

∑P——作用于墙体上的全部水平力的总和(kN);

f——墙底摩擦系数。

挡土墙的抗倾稳定计算公式如下:

式中:KO——抗倾稳定安全系数;∑MV——抗倾覆力距总和(kN·m);∑MH——倾覆力距总和(kN·m)。

挡土墙基底压应力计算公式如下:

式中:σmax、σmin——基底的最大和最小压应力(kPa);

∑G——垂直荷载(kN);

A——底板面积(m2);

∑M——荷载对底板形心轴的力矩(kN·M);

W——底板的截面系数(m3)。

通过对该边墙的稳定计算，得出:在一般工况情况下，Kc=1.877＞1.300，K0=3.404＞1.500，地基平均承载压应力62.720＜=500.000(kPa)，压应力 =128.483＜=2100.000(kPa)，拉应力 =3.043＜=150.000(kPa)，剪应力 =－8.379＜=110.000(kPa)。在地震工况情况下，Kc=1.709＞1.100，K0=3.085＞1.200，地基平均承载压应力63.365＜=625.000(kPa)，压应力=134.373＜=3150.000(kPa)，拉应力 =7.644＜=150.000(kPa)，剪应力=－6.807＜=110.000(kPa)。

3.6.4 消力池

出口下游消力池拆除重建。拆除两侧挡墙重建重力式混凝土挡墙;拆除消力池跌坎及前槛重建钢筋混凝土(前槛埋深1.5m);拆除消力池底板(厚度0.5m)。重建钢筋混凝土底板。消力池底板长16m，宽15m，厚度0.5m，底板顶面高程跌坎处为250.40m，前槛处为249.47m，下设10cm素混凝土垫层，底板下铺设排水孔，顺水流方向间距为2m，垂直水流方向的间距为3m，各排孔交错布置;重建两侧钢筋混凝土边墙，消力池深1.2m，墙顶高程为262.4m。混凝土标号为C25，F200。

3.6.5 出口海漫

消力池下游采用铅丝石笼海漫，长20m，宽15m，厚0.6m，石笼结构为5m×1m×0.6m。

3.6.6 溢洪道山体削坡

溢洪道右侧挡墙上方边坡相对略陡，岩基裸露，风化强烈，岩体破碎，边坡表层碎、块石稳定性差，随时都会产生掉块或大面积滑落，容易损坏溢洪道挡墙和底板。溢洪道右侧挡墙上方山体坡比在1∶1.2左右，坡比稳定，此次设计清除山体边坡表层碎石及强风化层。山体进行表层清除，清除厚度0.3m，采用爆破清除，自卸汽车外运。