白珠庙水库溢洪道加固设计分析

2022-05-25肖莉

黑龙江水利科技 2022年4期

肖莉

(江西省吉安市青原区河东街道办事处，江西吉安 343000)

1 工程概况

白珠庙水库位于青原区富滩镇社山村委绕远村，坝址距富滩镇5.0km，距青原区中心城区20.0km。库区地形以低山丘陵为主，分水岭最髙点海拔489.7m，植被较好。水库总库容143.7万m3；设计灌溉面积266.67hm2，实际灌溉面积146.67hm2，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的小(1)型水库。

水库地理位置十分重要，下游有富滩镇社山等村委0.42万余人、耕地266.67hm2及青东公路等重要交通设施，水库一旦失事，将给下游人民生命财产和国家重要基础设施造成重大损失。

溢洪道地处低山地形，广泛分布第四系残坡积层地层，岩性为灰黄色粉质黏土局部夹少量碎石。两岸边坡陡立，杂草丛生，坡比约为1∶0.2，稳定性差，易发生边坡塌滑。渠底和边坡均无任何衬护设施，无消能措施，下泄水流极不顺畅，淤塞较严重，影响行洪安全。

2 溢洪道加固设计

2.1 溢洪道控制段设计

2.1.1 溢洪道控制段泄流能力计算

白珠庙水库溢洪道位于库区左岸山坳中，控制段为开敞式宽顶堰，堰顶高程93.00m，堰顶宽5.5m，泄流能力按宽顶堰下列公式计算：

(1)

式中：B为溢流堰净宽，5.5m；H0为包括行近流速水头的堰前水头；m为流量系数，取0.34。

经计算溢洪道下泄流量与库水位关系见表1。

表1 白珠庙水库库水位-下泄流量曲线表

本次对白珠庙水库调洪演算得水库设计洪水位(P=3.33%)94.57m，相应下泄流量17.6m3/s；校核洪水位(P=0.33%)95.29m，相应下泄流量29.6m3/s。

2.1.2 溢洪道宽顶堰设计

宽顶堰底板采用C25混凝土衬砌，厚50cm，两侧新建C15混凝土挡墙，顶宽0.5m，墙高3.59m(加基础埋深0.8m)，底宽2.616m，墙面坡比为1:0.4。

依据勘测资料、水库的调洪演算成果以及《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077-1997)，计算出侧向土压力、墙背土自重、边墙自重、墙前水压力、墙后水压力，扬压力，地基反力等荷载标准值，再将其转化成相应的荷载设计值。

1)溢洪道宽顶堰边墙抗滑稳定计算按下式计算：

(2)

式中：Kc为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f为边墙混凝土与岩的抗剪摩擦系数，0.46；∑W为作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的法向分量，kN；∑P为作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的切向分量，kN。

2)基底应力按下式计算：

(3)

式中：∑W为所有垂直力总和，kN；e为荷载作用于基础底面上的偏心矩，按下式计算：

(4)

式中：B为底板的宽度，m。

3)抗倾覆计算按下式：

(5)

式中：∑My为作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩，kN·m；∑Mo为作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩，kN·m；K0为抗倾稳定安全系数[1]。

宽顶堰边墙典型断面稳定及应力结果见表2。

表2 宽顶堰边墙稳定计算表

从上表可知宽顶堰边墙抗滑稳定、抗倾覆、基底应力满足规范要求。

2.2 溢洪道泄槽段设计

2.2.1 泄槽段水面线计算

本次加固设计:沿现有地形布置两级泄槽，总长72.0m，底宽均为5.5m。一级泄槽长50.0m，纵坡i=0.02，进口底高程93.0m，末端底高程92.0m；二级泄槽长22.0m，纵坡i=0.17，进口底高程92.0m，末端底高程88.20m；泄槽段底板均为C20混凝土底板，厚30cm。

1)临界水深的计算

泄槽断面为矩形断面，其临界水深hk计算由得：

(6)

式中：α为流速分布不均匀系数,α=1.05；g为重力加速度，g=9.81；q为单位宽度通过的流量(q=29.6/5.5=5.38m3/s)。

取校核洪水位溢洪道相应下泄流量进行计算，得临界水深hk=1.46m。

2)陡坡临界底坡计算

临界底坡的计算式如下：

(7)

式中：湿周xk=b+2hk；过水断面面积ωk=b×hk；谢才系数CK=(R1/6)/n，n=0.017；水力半径Rk=ωk/xk。

经计算得ik=0.004，小于实际纵坡i=0.02，则泄槽段均为陡坡。

根据《规范》(SL253-2000)，用分段求和法计算溢洪道泄槽水面线，再考虑掺气影响及安全加高，可算出需要的边墙高度。由泄槽首端的水深hk=1.46m，采用下列公式计算可推求其它断面水深：

(8)

式中：△I1-2为分段长度，m；h1、h2为分段始、末断面水深，m；v1、v2为分段始、末断面平均流速，m/s；a1、a2为流速分布不均匀系数，取1.05；θ为泄槽底坡角度，°；i为泄槽底坡，i=tg，θ=0.02；J为分段内平均摩阻坡降；n为泄槽槽身糙率系数,取0.017；v为分段平均流速，m/s；R为分段平均水力半径，m。

2.2.2 泄槽段边墙稳定计算

泄槽段两侧新建C15混凝土挡墙，顶宽0.5m，最大墙高3.3m(基础埋深0.8m)，底宽2.5m，墙面坡度1∶0.4，具体尺寸见附图。计算公式同前，计算结果见表3。

表3 泄槽段边墙稳定计算成果表

2.2.3 泄槽段底板安全计算

泄槽边墙顺水流方向每隔10.0-12.0m设一条分缝，泄槽底板与边墙前设结构缝分开，取第一块底板进行安全计算。

1)根据《溢洪道设计规范》，底板的抗浮稳定安全系数采用以下公式计算：

(9)

式中：Kf为抗浮稳定安全系数；θ为底板底面与水平面的交角(θ=arctan(i))；P1为底板的自重；P2为底板顶上的时均压力，p2=(ρwghcosθ)·A；P3为当采用锚固措施时，地基的有效重量；Q1为底板顶面上的脉动压力，按下式计算：

(10)

式中：βm为面积均化系数，取0.1；pfr为脉动压强；Kp为脉动压强系数，取0.025；v为相应计算断面的平均流速；Q2为底板底面的扬压力。

2)底板抗滑稳定按抗剪断强度公式计算：

(11)

式中：K为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；∑W为作用于底板上的全部荷载对计算滑动面的法向分量，kN；∑P为作用于底板上的全部荷载对计算滑动面的切向分量，kN；f＇为底板混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数，0.46；c＇为底板混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力，0.09MPa；A为底板与基岩接触面的截面积。

白珠庙水库溢洪道泄槽段底板厚30cm，计算结果如表4。