五大連池市紅升水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程溢洪道設(shè)計(jì)

劉 迪

（黑河市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 黑龍江 黑河 164300）

1 工程概況

五大連池市紅升水庫(kù)位于訥謨爾河一級(jí)支流溫查爾河支流上，在五大連池市興隆鄉(xiāng)紅升村西側(cè)1km處，距五大連池市25km。紅升水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼顧防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的?。á瘢┬退畮?kù)，水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積1400 畝，水庫(kù)對(duì)下游紅升村1000 人、3000 畝耕地及北五公路具有一定的防洪保護(hù)作用。

紅升水庫(kù)壩址以上控制流域面積21.5km2， 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按10 年一遇洪水設(shè)計(jì)，50年一遇洪水校核， 經(jīng)規(guī)模復(fù)核： 校核洪水位277.98m，設(shè)計(jì)洪水位277.51m，死水位275.55m，校核總庫(kù)容216.00×104m3， 設(shè)計(jì)總庫(kù)容172.00×104m3， 死庫(kù)容42.80×104m3。

溢洪道位于大壩右端，為開敞式溢洪道，堰寬15.0m，堰頂高程277.00m，最大泄量21.30m3/s。

2 溢洪道存在的問(wèn)題

溢洪道處為凍脹土，進(jìn)口及控制段已被沖毀，陡槽兩側(cè)漿砌石擋墻砌石開裂，墻體傾斜，下游消力池及海漫已被沖毀，已嚴(yán)重影響水庫(kù)正常泄洪，危及大壩安全。 故溢洪道應(yīng)拆除重建，來(lái)保證大壩的安全。

3 溢洪道工程設(shè)計(jì)

表5.2-1 溢洪道規(guī)模投資比較表

3.1 溢洪道型式及規(guī)模比較

溢洪道采取有閘控制及無(wú)閘開敞式不同堰寬進(jìn)行比較，有閘控制堰寬8m，堰頂高程276.50m，開敞式溢洪道堰寬分別為12m、15m、21m，堰頂高程均為277.00m，方案比較見表5.2-1。

經(jīng)方案比較，方案二投資最少，經(jīng)濟(jì)合理，故選方案二。

3.2 溢洪道布置方案比較

溢洪道布置方案比較表

根據(jù)工程現(xiàn)狀，選定三個(gè)樞紐布置方案進(jìn)行比較，方案一：溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+486 處，開敞式岸邊溢洪道；方案二：溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+486 處，開敞式岸邊溢洪道；方案三：溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+450 處。

經(jīng)方案比較，方案三經(jīng)濟(jì)合理，投資最少，故選方案三。

3.3 工程布置及結(jié)構(gòu)型式

開敞式溢洪道布置在大壩樁號(hào)0+450 處， 由進(jìn)口U 型槽、控制段、陡槽、消力池、海漫等組成。

進(jìn)口鋼筋砼U 型槽總長(zhǎng)17.2m， 其中第一段長(zhǎng)8.5m，底寬為17.8m，底高程275.55m，底板厚0.50m ，第二段長(zhǎng)8.7m，底板用1:6 反坡與堰頂連接, 底寬為17.8m～15.8m， 底板厚0.50；控制段鋼筋砼U 型槽長(zhǎng)4.5m，底凈寬為15m，堰頂高程277.00m， 底板厚1.0m， 堰頂上部設(shè)交通橋， 陡槽U 型槽長(zhǎng)8.6m，底坡1/6，底寬15.8m，底高程為277.00～274.85m，底板厚0.70m；陡槽后接消力池，消力池鋼筋砼U 型槽長(zhǎng)8.8m， 底寬15.8m， 池深0.50m，底板高程274.85m，底板厚0.80m，消力池底板上布置排水孔，以減小揚(yáng)壓力，增強(qiáng)底板穩(wěn)定性； 海漫采用干砌石梯形斷面， 總長(zhǎng)16.90m，底寬15.80m，邊坡1:1.5，護(hù)坡護(hù)底采用30cm 厚干砌石，下設(shè)20cm 厚礫石墊層和10cm 厚粗砂墊層，底高程為275.35～275.32m。

3.4 水力計(jì)算

3.4.1 泄流能力計(jì)算

式中：Q——泄流量（m3/s）；

H0——包括行進(jìn)流速在內(nèi)的堰上總水頭；

B——堰頂寬度，B=15m；

ε——側(cè)收縮系數(shù)；

g——重力加速度，g=9.81m/s2；

m——流量系數(shù)。

式中：n——孔口數(shù)目;

b——孔口凈寬;

k——兩側(cè)邊墩形狀,取k=0.7;

ε=0.98

經(jīng)計(jì)算：

Qmax設(shè)計(jì)=8.93m3／s〉7.91m3／s

Qmax校核=27.3m3／s〉21.3m3／s，均滿足泄量要求。

3.4.2 陡槽水力計(jì)算

①臨界水深hk 及臨界坡降ik

②陡槽流速及摻氣水深

摻氣高度hB=vh/100；h 為不考慮摻氣時(shí)的水深， 水面線計(jì)算詳見表5.4-2。

表5.4-2 設(shè)計(jì)狀況泄槽段水面線計(jì)算成果表

表5.4-3 校核狀況泄槽段水面線計(jì)算成果表

3.4.3 消能計(jì)算

（1）判別出口水面銜接形式：先按陡槽與下游尾水渠直接連接的情況計(jì)算，下游尾水渠底寬b=15.8m；m=1.5；n=0.033；i=1/500。

經(jīng)計(jì)算：下游渠道首端水深ht=0.63m。

（2）判斷是否需要修建消力池

式中：hc——收縮水深（m）；

α——水流動(dòng)能校正系數(shù)，取1.05；

T0——由消力池底板頂面算起的總勢(shì)能（m）；q——過(guò)閘單寬流量（m3/s/m）。

試算求得hc=0.18m。

式中：hc″——躍后水深（m）；

b1——消力池首端寬度（m）；

b2——消力池末端寬度（m）。

計(jì)算求得hc″=1.55m，hc″〉ht=0.63m，將發(fā)生遠(yuǎn)趨勢(shì)水躍，需修建消力池。

（3）池深計(jì)算

式中：d——消力池深度（m）；

σ0——水躍淹沒(méi)系數(shù)；

△Z——出池落差（m）；

hs——出池河床水深；

φ——系數(shù)，φ=0.95。

經(jīng)試算：d=0.5m，σ0=1.07。

（4）消力池水平段池長(zhǎng)計(jì)算

L水平=βLj

Lj=6.9（hc″-hc）

式中：Lsj——消力池長(zhǎng)度（m）；

L水平——消力池水平段長(zhǎng)度（m）；

β——水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，取0.8；

Lj——水躍長(zhǎng)度（m）。

經(jīng)計(jì)算：L水平=7.50m，d=0.5m，假定的消力池池深是合適的。

3.4.4 海漫長(zhǎng)度計(jì)算

式中：L——海漫長(zhǎng)度（m）

K——海漫長(zhǎng)度校正系數(shù)；

ΔH——上下游水頭差；

q——海漫出口處單寬流量。

計(jì)算得L=9.56 m，取L=10m。

3.4.5 防沖槽深度計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265—2001），海漫末端溝槽沖刷深度可按下式計(jì)算：

式中：dm——海漫末端溝槽沖刷深度（m）；

qm——海漫末端單寬流量（m3/s/m）；

hm——海漫末端水深（m）；

[v0]——溝槽土質(zhì)允許不沖流速，取0.85（m/s）。

經(jīng)計(jì)算dm=1.75m，采用防沖槽深度為dm=1.5m，采用底寬1.5m，上游坡為1:2，下游坡為1:2。

3.4.6 穩(wěn)定驗(yàn)算

（1）土基上沿堰基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Kc——沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f——閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.40；

ΣH——作用在閘室上的水平力之和（kN）；

ΣG——作用于閘室上的全部垂直荷載。

（2）基底應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：Pmax、Pmin——最大最小應(yīng)力，kPa；

ΣG——作用于閘室上的全部垂直荷載；

ΣM——作用在閘室基底面的全部荷載對(duì)基底面垂直水流流向形心的力矩;

A——閘室基底面面積，m2；

W——閘室基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。

堰體穩(wěn)定計(jì)算按設(shè)計(jì)水位情況，計(jì)算成果見表5.4-4。

表5.4-4 堰體穩(wěn)定計(jì)算成果表（水位277.51m）

由地質(zhì)報(bào)告可知，閘基礎(chǔ)為低液限粘土，地基承載力為160kpa 左右。 根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（SL265-2001）規(guī)定：特殊組合基底允許應(yīng)力比為2.5， 本次計(jì)算的抗滑穩(wěn)定系數(shù)為3，應(yīng)力比為1.33，抗滑穩(wěn)定系數(shù)及基底應(yīng)力均滿足要求。

4 結(jié)論

紅升水庫(kù)溢洪道拆除重建工程是除險(xiǎn)加固工程的重要組成部分，保證大壩的泄流能力，調(diào)節(jié)水庫(kù)正常蓄水，保證大壩正常運(yùn)行。

水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程，可以從根本上解決水患，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，增強(qiáng)抗御水旱災(zāi)害的能力，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增加農(nóng)民收入，保護(hù)和改善區(qū)域防洪安全，為促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展、提高種植業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，加快五大連池市地方政治、經(jīng)濟(jì)、文化等發(fā)展發(fā)揮積極作用。

［1］呂宏興，裴國(guó)霞，楊玲霞，主編.水力學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2002.