曹四家子水库大坝加固设计及溢洪道水面线计算探析

张忠国

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118000)



曹四家子水库大坝加固设计及溢洪道水面线计算探析

张忠国

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118000)

曹四家子水库位于辽宁的法库县曹四家子村，流域面积为6.5km2。由于大坝迎水坡护坡石为黄褐色强风化岩，块石取自溢洪道左侧山体，护坡石厚仅为20cm，无碎石、砂垫层。块石因多年风化，质脆易碎，故对大坝进行了加固设计。文章从坝顶高程、安全加高、大坝稳定计算等方面对曹四家子水库大坝加固设计进行了计算,同时对溢洪道泄流能力进行了分析，水库除险加固设计后，自身建设将得到进一步改善，真正实现了以水养水的方针。

坝顶高程;加固设计;溢洪道;水面线计算;曹四家子水库

1 概 述

曹四家子水库位于辽宁的法库县曹四家子村，流域面积为6.5km2，总河长3km，比降为6.7‰。水库工程由大坝、溢洪道、输水洞组成，是一座以防洪为主的小(2)型水库，大坝为均质土坝，设计坝顶高程60.00m，实测坝顶高程60.00m,坝长81m。溢洪道为开敞式结构，净宽15m，为宽顶堰堰型，堰顶高程57.00m。输水洞为坝下方形钢筋混凝土涵洞，断面尺寸为1m×1m，进口底板高程52.30m。

2 大坝加固设计

2.1 坝顶高程

2.1.1 坝顶高程计算公式

按照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)规定，坝顶高程为水库静水位加坝顶超高，坝顶超高计算公式为：

Y=R+A

(1)

式中：Y为坝顶超高，m；R为最大波浪在坝坡上的爬高，m；A为安全加高，按规范规定正常运用情况下取0.5m，非常运用情况下取0.3m。

波浪爬高，按下式计算：

(2)

式中：Rm为波浪平均爬高值，m；K△为斜坡糙率渗透性系数，查表A.1.12-1,K△=0.80；KW为经验系数，查表A.1.12-2；m为斜坡坡度系数，取m=2.5；hm、Lm平均波高和波长，按莆田试验站公式计算hm、Lm值。

Tm=4.438hm0.5

(3)

式中：Tm为平均波周期；Hm为水域平均水深；W为计算风速，非常运用条件下，采用多年平均年最大风速，W=V=17.1m/s；正常运用条件下，采用多年平均年最大风速的1.5倍,，W=1.5V=25.65m/s；D为风区长度，由库区地形图量测。

2.1.2 安全加高

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)取用：

设计水位时，A=0.5m,

校核水位时，A=0.3m。

根据上述所列公式和计算参数，土石坝坝顶超高计算结果见表1。

表1 坝顶超高计算成果表

2.1.3 坝顶高程复核

土坝各种运用情况的坝顶高程计算结果见表2。

表2 土坝坝顶高程计算成果表

由此可见计算坝顶高程低于现状坝顶高程60.00m。最后确定大坝坝顶高程为60.00m。

2.2 现状大坝稳定计算

2.2.1 计算参数的选取

由于曹四家子水库在运行期间经多次改扩建，无原始设计资料。根据沈阳华昌岩土工程有限公司提供的《岩土工程勘察报告》，确定坝坡稳定计算的参数如表3所示。

2.2.2 计算工况的确定

根据大坝现状的实际运行条件和水位参数，以及《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)中的相关规定，计算工况如下：

1)正常高水位57.00m，稳定渗流期上下游坡的稳定计算。

2)设计洪水位58.28m，稳定渗流期上下游坡的稳定计算[1]。

表3 土坝土料计算指标

2.2.3 渗流稳定计算

渗透计算的目的是为确定经济合理的坝体结构尺寸提供重要的设计依据。本次复核选取标准断面进行计算。上游坡比为1∶2.75，下游坡比为1∶2.0，坝顶宽3.00m。

标准断面计算简图如图1所示。

图1 大坝标准断面渗流计算简图

2.2.4 渗透坡降

选择1#孔大坝断面进行计算。

透水地基均质土堤坡面渗流比降计算：

P=10%，兴利水位，下游无水，H2=0，参照公式(E.5.3-1-E.5.3-2)

沿渗出段AB：

(4)

沿渗出段BC：

(5)

曹四家子水库断面在P=10%和兴利水位情况渗流计算水力坡降J，随着x，y值的减小，水力坡降J逐渐增大，在脚点趋近于∞。根据毛昶熙《渗流计算分析与控制》 “在一般常见坝坡情况下(m2=1.5-3)，向上的危险坡降区域(一般指J>0.5-0.7的区域)，大约为0.25-1.0倍的h0值。”故渗出段AB和地基段BC的水力坡降有效范围为(0.25-1.0)h0，所以在x和y等于0.25h0的情况下，渗透比降取得最大值，即：

兴利水位：大坝坝体水力坡降：JAB=0.28；

大坝坝基水力坡降：JBC=0.25；

P=10%：大坝坝体水力坡降：JAB=0.32；

大坝坝基水力坡降：JBC=0.28。

查地质报告试验资料经计算得：

JAB=(G-1)(1-n)=1.067；

JBC=(G-1)(1-n)=0.88；

坝体部分安全系数为1.5，坝基部分安全系数为2；

J允许AB=1.067/1.5=0.7；

J允许BC=0.88/2=0.44。

经计算曹四家子水库：

兴利水位：大坝坝体水力坡降：JAB=0.28， 小于允许值，为安全。

大坝坝基水力坡降：JBC=0.25，小于允许值，为安全。

P=10%：大坝坝体水力坡降：JAB=0.32，小于允许值，为安全。

大坝坝基水力坡降：JBC=0.28，小于允许值，为安全。

通过以上计算可知，曹四家子水库大坝渗漏量很大，渗透比降满足要求。

3 泄水建筑物

曹四家子水库溢洪道是水库唯一的泄洪建筑物。溢洪道位于左岸岸边，为无闸门控制的开敞式溢洪道，结构形式：原设计由进口段、溢流堰、陡槽及消能工组成。

现状溢洪道堰型为宽顶堰，堰顶高程57.00m，堰体长20m，堰净宽原设计为8m，现状人为造成堰净宽15m。堰体段边墙为浆砌石重力式挡土墙，墙高3.00m，墙顶宽0.5m，底宽1.8m。陡槽长30m，底坡为0.14。陡槽边墙亦为浆砌石重力式挡土墙，墙高1.8m，墙顶宽0.5m，底宽1.0m。溢洪道消能工采用底流消能，池深1.3m，池长11.00m，池宽15m。消力池边墙为浆砌石重力式挡土墙，墙高3.7m，墙顶宽0.5m，底宽2.5m。溢洪道底板为0.3m厚钢筋混凝土结构。现状消力池破损严重。

3.1 溢洪道新建工程布置

现状溢洪道较宽，本次设计考虑不同宽度进行调洪演算，综合比较坝高和溢洪道造价，最终选择12m宽。

本次初步设计，新建溢洪道进口段、控制段、陡槽段、消力池段和下游尾水渠。

进口段：进口段高程56.50-57.00m，墙顶高程为60.00m，墙顶宽0.30m，钢筋混凝土结构。

控制段：堰型为宽顶堰，堰顶高程57.00m，墙顶高程60.00m，堰体长度10m。钢筋混凝土结构。

陡槽段：底坡为0.14。墙顶高程59.00-53.40m，墙顶宽0.30m，。钢筋混凝土结构。

消力池段：消力池斜坡比1∶3，消力池深2.00m，消力池水平长11.00m。

下游尾水渠：渠道为土渠，内、外坡比为1∶2.5，底宽为12m，渠高为1m。

3.2 溢洪道特征水位与泄量关系

溢洪道各部位设计洪水标准见表4。

表4 溢洪道各部位设计洪水标准

4 水利计算

4.1 溢洪道泄流能力计算

1)溢洪道属于宽浅式河岸开敞式溢洪道，根据《溢洪道设计规范》计算公式要求，根据下列公式：

(6)

4.2 溢洪道水面线计算

根据《溢洪道设计规范》(SL253-2000),溢洪道控制段及陡槽段部分标准为10a一遇洪水设计，设计水位58.28m，相应泄量为26.47m3/s，20a一遇洪水校核，校核水位58.69m，相应泄量为40.31m3/s。溢洪道控制段及陡槽段过流断面为矩形断面，按非均匀流流态计算。

5 结 语

由于大坝迎水坡护坡石为黄褐色强风化岩，块石取自溢洪道左侧山体，护坡石厚仅为20cm，无碎石、砂垫层。块石因多年风化，质脆易碎。故对大坝进行了加固设计,从水库自身建设来讲，由于原来水库不能正常发挥效益，制约了自身发展。水库除险加固设计后，自身建设将得到进一步改善，真正实现了以水养水的方针。

[1]董雪,金莉.抚顺地区小型病险水库除险加固排序初探[J].吉林水利，2013(01)：36-38.

1007-7596(2017)02-0096-03

2017-02-12

张忠国(1967-)，男，辽宁丹东人，高级工程师，从事水文测验整编、水资源调查评价工作。

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