莲河水库溢洪道除险加固工程设计概述

常俊德，田振华，刘发智

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

莲河水库溢洪道除险加固工程设计概述

常俊德，田振华，刘发智

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

莲河水库位于尚志市河东乡莲河村蚂蚁河中上游小支流河上，是以农业灌溉为主兼顾防洪养鱼的小型(1)水库，溢洪道主要由进口段、溢流段、消能段、海漫段等组成。文章阐述了溢洪道设计方面的几个问题。

溢洪道；过流能力；消能计算；渗流计算

1 工程概况

1.1 工程现状

莲河水库坝址地理坐标为E128°07′，N45°17′，坝址以上控制集雨面积12.1 km2，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养鱼等综合利用的小(1)型水利枢纽。水库设计总库容188×104m3，兴利库容104×104m3。水库防洪保护下游农田166.67 hm2、莲河村等4个村屯共900人的生命财产安全。

水库设计正常蓄水位199.00 m，相应库容104×104m3；设计洪水标准为20 a一遇，相应设计洪水位200.06 m；校核洪水标准为200 a一遇，相应校核洪水位200.77 m，死水位195.30 m，相应库容10 万 m3。

莲河水库枢纽工程由土坝、溢洪道、输水洞等建筑物组成。枢纽工程等级为Ⅳ等，主要建筑物的级别为4级。

1.2 存在的主要问题

溢洪道为浆砌石结构，表面剥蚀，出口与土坝接触处有漏水严重，消力池全部冲毁，下游海漫全部破坏。闸门及启闭机已损坏无法使用，临时采用编织袋装土封堵，已威胁水库的正常运行[1]。

1.3 工程设计内容

土坝维修加固，在原基础上加高培厚，整形护坡，修建坝顶路面。新建输水洞和建溢洪道。

2 溢洪道加固设计

2.1 设计标准

主体工程由土坝、溢洪道和输水洞3部分组成。水库设计标准按10 a一遇洪水设计，50 a一遇洪水校核。工程等别为Ⅳ等，灌溉设计保证率为75%。

2.2 工程布置

现状溢洪道位于土坝左端，桩号为0+036.4，底高程约为199.00 m，净宽约为15 m，无消能设施，无护砌。本次设计综合地形、泄洪等因素，并考虑业主建议，将溢洪道仍然建在0+036.4位置处，轴线与坝轴线正交，与下游泄洪渠衔接。

本工程溢洪道为开敞式无闸控制，净宽10 m，堰顶高程为兴利水位199.00 m。溢洪道轴线与坝轴线垂直，由进口段、溢流段、消能段、海漫段等部分组成，轴线长度为49.10 m，10 a一遇溢洪道最大泄量为13.26 m3/s，50 a一遇的最大泄量为28.47 m3/s。 进口段长5 m，钢筋混凝土U型结构，底高程为兴利水位199.00 m，边墙坡度为1∶3.0。溢流段长4.5 m，溢流净宽为10 m，堰型为开敞式，无闸控制，堰顶高程为兴利水位199.00 m，堰上设交通桥，桥面净宽度与坝顶同宽为4 m，桥面中心标高为201.61；桥总长为11 m，该桥上部采用现浇板。陡坡段坡比为1∶3.0，底高程由199.00 m降至195.80 m，底宽为10 m，底板厚80 cm，采用U型钢筋混凝土结构。消力池长10 m，池深1.0 m，宽度10 m，底板厚0.8 m，底板高程为195.80 m，采用U型钢筋混凝土结构，墙顶高程为198.30 m。海漫段总长20.0 m，渠底进口高程为196.80 m，岸顶高程为198.30 m，梯形断面，底宽为10 m，边坡1∶2，采用干砌石护砌，干砌石厚30 cm，下铺20 cm碎石垫层及一层无纺布；海漫后设防冲槽，槽底宽1.4 m，槽深1.0 m，边坡坡比均为1∶1，干砌石护砌。

2.3 过流能力复核

本次设计初步拟定溢洪道净宽为4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m共7个方案进行比较，起调水位为199 m，通过经济方案比选，选择溢洪道净宽为10 m，堰顶高程199 m方案。水库设计水位为199.89 m，校核水位200.48 m，溢洪道类型为开敞式宽顶堰，消力池长10 m，池深1.0 m，板厚0.8 m，池长10 m，海漫长20 m。根据规范要求，自由出流的开敞式宽顶堰溢洪道可按下式计算：

(1)

式中：Q为设计流量，m3/s；m为流量系数；本工程为无坎宽顶堰，取m=0.385；ε为侧收缩系数，本工程为无坎宽顶堰，取ε=1.0；B为过流净宽，m；B=10.0 m；H0为计入行近流速水头的堰上水头，本工程近似取H0等于堰上水头；g为重力加速度，m/s2。

过流能力复核计算成果见表1。

表1 溢洪道过流量计算表

得出溢洪道过流量满足设计过流要求。

2.4 泄槽水力计算

1)泄槽段临界水深(hk)和临界底坡(ik)计算

泄槽段临界水深(hk)和临界底坡(ik)按以下公式进行计算：

(2)

(3)

(4)

式中：q为泄槽单宽流量，m3/s·m；α为动能修正系数，取1.05；g为重力加速度，m/s2；B为泄槽宽度，m；n为糙率系数，本工程取0.012；ik为临界底坡，m；hk为临界水深，m；Ak为临界水深断面面积，m；Rk为临界水深断面水力半径，m；Ck为谢才系数。

根据以上公式计算临界水深(hk)和临界底坡(ik)，计算结果见表2。

表2 临界水深和临界底坡计算成果表

经计算泄槽设计底坡大于临界底坡。

2)起始水深h1计算

根据《溢洪道设计规范》(SL253—2000)A.3相关说明，泄槽上游接宽顶堰，起始计算断面定在泄槽首部，水深h1取用泄槽首部断面计算的临界水深hk。

3)泄槽水面线计算

泄槽水面线应根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式为：

(5)

(6)

(7)

(8)

2.5 消能计算

2.5.1 消力池计算

1)消力池深度计算

(9)

(10)

(11)

(12)

表3 泄槽段水面线计算成果表

2)消力池长度计算

(13)

式中：L为消力池长度，m；Lj为水跃长度，m。

3)消力池底板厚度计算

根据抗冲要求，消力池底板始端厚度可按下式计算：

(14)

式中：t为消力池底板厚度，m；△H为泄水时的上、下游水位差，m；k1为消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20。

2.5.2 海漫长度计算

(15)

式中：Lp为海漫长度，m；△H为上下游水头差，m；q为消力池出口单宽流量，m3·(s·m)-1；Ks为海漫长度计算系数，可查表，本工程取Ks=8。

2.5.3 计算结果

计算结果见表4。

表4 溢洪道底流消能计算成果表

根据计算结果本次设计采用消力池长10 m，池深1.0 m，板厚0.8 m，海漫长20 m。

2.6 渗流分析

计算公式采用《水闸设计规范》SL265—2001改进阻力系数法计算：

2.6.1 确定地基有效深度Te

(16)

(17)

(18)

式中：L0，S0分别为地下轮廓线不透水部分的水平投影长度和垂直投影长度，m。

2.6.2 渗透压力计算

阻力系数计算：ξ

设计情况下，工程底板渗流出口处平均坡降和水平段平均渗透坡降计算值均满足规范要求。

3 结 语

莲河水库工程建成后，灌溉水田达166.67 hm2，可保护下游400 hm2耕地、村屯4个和人口900人，并对尚延公路具有防洪保护作用。从根本上解除水患，提高水库下游防洪安全，促进当地农业发展。

[1]组万军，齐淑珍，张亚力.山河水库溢洪道除险加固工程设计[J].黑龙江水利科技，2009,37(05)：65-66.

1007-7596(2014)12-0157-03

2014-04-12

重点实验室项目黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室项目课题研究(PS13H19)

常俊德(1982-)，男，吉林梅沙口人，工程师；田振华(1983-)，男，山东泰安人，工程师；刘发智(1987-)，男，山东济南人，助理工程师。

TV651.1

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