前进水库输水洞除险加固工程设计剖析

许春波，宋 妍

( 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

前进水库位于黑龙江省宾县民和乡的东北部，距宾县县城28 km，地理坐标为北纬45°42'，东经127°35'，属于大通河上游的一级支流，是一座以杨家岗沟为主要水源，以灌溉为主，结合防洪、养鱼等多种经营的小(1) 型水库。前进水库坝址以上集水面积17 km2。

1 工程现状

前进水库始建于1958年，1967年续建，1975年水库3 项主体工程基本竣工。水库经20 多年运行，发挥了显著效益，原灌溉水田116 hm2，养鱼15 万尾，年平均捕鱼2 000 kg;防洪保护5个村屯，人口2 200人，农田1 000 hm2。

前进水库位于山丘区，但大坝挡水高度低于15 m，且上下游水头差＜10 m，洪水标准按平原区确定，本次复核按《水利水电工程等级划分及洪水标准》( SL252－2000) ，水库等级为Ⅳ等，水库最大库容大于100 ×104m3，按平原区小(1) 型水库下限10 a一遇洪水设计，50 a一遇洪水校核。设计洪水位为134.97 m，相 应 库 容 为180.64 ×104m3，相 应 泄 量 为7.83 m3/s; 校核洪水位为135.64 m，相应库容为236.36 ×104m3，相应泄量为22.38 m3/s。

前进水库为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。

输水洞位于土坝右端，底高程131.50 m，为坝下埋管，洞长20 m，管径100 cm，为水泥管连接，基础为浆砌石。2008年对进出口进行维修，进口为混凝土启闭台，平板钢闸门，出口重新修建了消力池，但水泥管洞身未做处理，目前洞身水泥管断裂，接缝处漏水严重。

2 工程布置

本次除险设计对原有输水洞进行拆除重建。

输水洞位于土坝右岸，土坝桩号0 +395 处，采用钢筋混凝土方涵。按死水位过灌溉流量计算确定进口底高程为131.00 m。

输水洞主要由进口段、闸室段、洞身段、消力池、海漫段等组成。

进口段:采用钢筋混凝土U 型槽结构，底宽1.2 m，长度为7.00 m，底板顶高程为131.00 m，底板厚0.6 m。

闸室段:由2.5 m闸室及3.0 m涵洞组成，全长5.50 m，闸室段净宽1.2 m，底板顶高程为131.00 m，为钢筋混凝土结构，闸室边墩顶高程为134.80 m，边墩宽0.8 m，底板厚1.0 m。涵洞结构尺寸为1.2 m×1.6 m×1( 宽× 高× 孔) 。闸室设一扇工作门，一扇检修门，上部设有排架及工作桥。

洞身段: 为钢筋混凝土方涵，结构尺寸为1.2 m×1.6 m×1( 高×宽×孔) ，共分2 节，每节9.0 m，总长为18.0 m。洞壁厚0.4 m，进口底高程为131.00 m，出口底高程为130.82 m。

消力池段:采用钢筋混凝土U 型槽结构，净宽1.2 m，长度为12.0 m，池深0.7 m，底板顶高程为129.80 m，底板厚0.6 m。

海漫段: 海漫段长20.0 m，底宽为1.2 m，渠底高程为130.50 m。护砌采用厚30 cm干砌块石护砌，下设15 cm砂砾石垫层及无纺布一层。海漫段后接灌溉渠道，边坡1∶2.0。

3 工程设计

3.1 水力计算

输水洞不参与泄洪，灌溉期为控制泄流。输水洞过流能力计算，复核兴利情况及枯水期情况输水洞过流能力及结构尺寸是否满足设计要求。

3.1.1 水力设计参数设计标准的库水位与流量见表1。

表1 水力参数表

3.1.2 过流能力计算

涵洞的过流能力按无压涵公式计算:

式中:Q 为涵洞过流量，m3/s; B 为洞宽，m，取1.2 m; H0为包括行进流速水头在内的进口水深，m; g 为重力加速度，g =9.81 m/s2;hs为洞进口内水深，m，对短洞可按hs=h－iL 计算求得，对长洞需以出口水深为控制水深，从出口断面向上游推算水面线以确定洞进口内水深; m 为流量系数，可近似采用m=0.36;ε 为侧收缩系数，可近似采用ε=0.95;σ 为淹没系数; v 为上游行进流速，m/s; 经计算: Q =0.72 m3/s ＞0.70 m3/s，洞高1.6 m满足净空要求。灌溉最低水位时，灌溉洞能放出灌溉流量即满足要求。

3.1.3 消能计算

根据前进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。

1) 收缩水深可按下式计算:

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) 跃后水深可按下式计算:

3) 出池落差可按下式计算:

式中:ΔE 为出池落差，m;h'

s 为出池河床水深，m。

4) 消力池深度可按下式计算:

湿式电除尘器的结构与干式电除尘器相类似，均有相应的进出口喇叭、壳体、灰斗、电场阴阳极等基本的结构，其主要区别在于，干式除尘器采用机械振打清灰，而湿式除尘器采用水冲洗清灰。金属板式湿电通常采用卧式，烟气水平进风水平出风；而导电玻璃钢管式湿电采用立式布置，烟气方向为上进下出或下进上出。目前，燃煤电厂湿式除尘器的布置形式主要有以下2种类型：

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:

式中:Lj为水跃长度，m。

2) 消力池长度可按下式计算:

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

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: 消力池深0.25 m，水跃长度为3.08 m，海漫长8.78 m;取消力池深为0.8 m，池长9.0 m，海漫长15.0 m。

3.2 稳定验算

主要是对选定的输水建筑物工程的闸室、洞身等主要工程部件进行抗滑、抗倾覆稳定计算及地基承载力复核。

输水洞基础坐落在黏土地基上，地基容许承载力为［σ］=180 kPa。

3.2.1 闸室稳定计算

抗滑稳定计算采用抗剪断强度公式，计算公式如下:

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］为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:

式中:B 为闸室段长，m;e 为偏心距，m; σmax、σmin分别为最大最小应力，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。输水洞稳定计算成果详见表2。

表2 输水洞稳定计算表

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［σ］=180 kPa范围内，抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

3.2.3 洞身稳定计算

经计算输水洞洞身段地基承载力=91.1 kPa ＜［σ］=180 kPa，满足规范要求。

3.3 渗流分析

输水洞上、下游水位差H=3.72 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=3.72 ×4 =14.88m。本次设计输水洞的防渗长度为54.40 长度，渗流稳定。

3.4 抗冻设计

为防止冻胀破坏，输水洞闸室基础和侧墙、洞身四周均采取防冻措施，保温板铺设及砂砾石回填均按《水工建筑物抗冰冻设计规范》( SL211－2006) 有关条款设计。本次设计在输水洞闸室基础及侧面、洞身四周及挡土墙基础及侧面铺设一层厚度为10 cm的挤塑保温板。

根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》( SL211－2006) ，保温板的厚度可按下式计算:

式中:δx为保温材料厚度，m; α 为系数，取α =0.33; ψd为－日照及遮荫程度影响系数，ψd=1.03; ψi为典型断面某部位的日照及遮阴程度修正系数，ψi=1.05; λx为保温材料在自然状态下的导热系数，W/( m·℃) ，取λx=0.03; R0为工程保温基础设计热阻值，m2·℃/W) ，取R0=3.07;δc为基础材料厚度，m;δc=0.4;λc为基础材料的导热系数，W/( m·℃) ，对于混凝土板，取λc=2.94;K 为安全系数，取K=1.1。经计算，需要的保温板厚度为10 cm，设计保温板厚度10 cm满足要求。

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院. 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］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.

［4］水利部东北勘测设计研究院. SL211－98 水工建筑物抗冻设计规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，1998.

［5］中华人民共和国水利部. GB50288－99 灌溉与排水工程设计规范［S］. 北京:中国计划出版社，1999.