兰州新区庙儿沟水库工程主要结构设计计算分析

冯龙龙

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司 ,甘肃 兰州 730000）

1 工程概况

兰州新区庙儿沟水库工程地处兰州新区秦川镇境内,位于新区秦川镇石门沟移民点东北的西沟,兰州新区庙儿沟水库为注入式水库,以引大东二干渠末端渠水为水源,利用引大东二干渠末端已建的石门沟2#水库引水渠,将引大东二干渠水引至石门沟2#水库,经石门沟2#水库供水管道将水引至石门沟3#水库,之后从石门沟3#水库引水入库,经新建新区庙儿沟水库调节后,由供水管道向兰州新区城市矿产与表面处理产业园和园区东南部3万亩现代农业供水。兰州新区庙儿沟水库总库容约818万m3,兴利库容723万m3,死库容62万m3,水库正常蓄水位2127.92 m,设计洪水位2128.11 m,校核洪水位2128.50 m,死水位为2109.10 m。工程年总供水量为2266万m3,其中工业供水量为1142万m3,农业供水量为1123万m3,工程年引水量为2453万m3。

2 工程布局及主要内容

工程总体布局：本工程以引大东二干渠末端渠水为水源,利用引大东二干渠末端已建的石门沟2#水库引水渠,通过石门沟2#水库和石门沟3#水库“串联”输送、引水入库,经水库调节后,原水由供水管道沿西沟西侧至车路沟,然后横穿车路沟至南侧支沟一路向南至道人沟沟底,横穿道人沟至提路沟,沿提路沟至小石门沟,沿小石门沟西侧经高家庄横穿纬54路,最终向东输送至表面处理园区中部。

主要建设内容：本工程由引水工程、调蓄水库工程、供水工程组成。引水隧洞进口布置于石门沟3#水库库区左岸,设计引水流量2.0 m3/s,引水线路总长666 m；挡水主坝为壤土心墙堆石坝,坝顶高程2130.80 m,坝顶宽度6.0 m,最大坝高61.5 m；供水线路长约11.6 km,供水流量1.08 m3/s。

3 主要建筑计算分析

3.1 进水口水力学计算

引水建筑物水力学计算就是根据已知的或给定的其他一些参数求出水流过程未知的特性参数[1]。引水隧洞进水口为有压短洞进口,经长30 m有压短洞与竖井闸室段相接。闸室工作门孔口尺寸为1.5 m×1.5 m（宽×高）,引水流量公式为：

式中：Q为流量,m3/s；μ为流量系数,与闸孔形状、流速系数φ有关；b为每孔净宽；T0为上游水位至闸底板的水头,m；ω为隧洞出口面积；hp为隧洞出口断面平均单位势能。

式中：ω为隧洞出口断面面积；ξi、ωi为局部能量损失系数,及相应的断面面积；li为隧洞某段长度,与之相应的断面面积ωi、水力半径Ri、舍齐系数Ci。

计算成果见表1。

表1 引水有压隧洞过流能力计算表

经计算,引水隧洞有压洞段最大过流能力为28.6 m3/s。

3.2 引水无压洞段水力学计算

引水无压隧洞段按明渠均匀流计算,计算公式如下：

式中：Q为输水流量,m3/s；A为过水断面面积,m2；C为谢才系数；N为糙率；R为水力半径,m；i为纵坡比降。

计算成果见表2。

表2 引水隧洞无压洞段水力学计算

根据《水工隧洞设计规范》（SL 279-2016）,低流速无压隧洞,洞内水面线以上空间不宜小于隧洞断面面积的15%,因此,引水隧洞无压洞段最大过流能力为6.6 m3/s。因此,为满足引水流量2.0 m3/s须经工作门控制流量。

3.3 坝顶高程的计算

1）坝顶超高计算公式：

式中：y为坝顶超高,m；R为最大波浪在坝坡上的爬高,m；e为安全加高,m；A为最大风壅水面高度,m。

2）正向单坡上的平均波浪爬高：

式中：Rm为平均波浪爬高,m；m为单坡坡度系数；K为斜坡糙率渗透系数（取0.90）；Kw经验系数（取1.0）；hm为平均波高,m；Lm平均波长,m。

设计波浪爬高值应根据工程等级确定,本工程为3级坝,采用累计频率为1%的爬高值R1%。

3）波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田试验站公式：

式中：hm为平均波高,m；Tm为平均波周期,s；W为计算风速；D为风区长度；Hm为水域平均水深；g为重力加速度；Lm为平均波长；H为坝前迎水面水深,m。

④风壅水面高度计算：

式中：e为计算点处的风壅水面高度,m；D为风区长度,m；K为综合摩阻系数,取3.6×10-6；β为计算风向与坝轴线法线的夹角,（°）。

根据上述计算公式,坝顶高程计算结果见表3。

表3 庙儿沟水库坝顶高程计算表

根据以上计算结果,设计洪水位加正常运用条件工况下坝顶高程最大,计算值为2130.59 m,考虑留有适当的裕度,确定坝顶高程为2130.80 m。坝顶设1.2 m高防浪墙,防浪墙顶高程为2132.00 m。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）要求,心墙土质防渗体顶部高程在正常运用条件静水位以上安全超高不低于0.3 m,同时不低于非常运行条件的静水位,同时心墙顶保护层厚度按不小于最大冻土深度考虑取1.5 m,确定心墙顶高程为2129.30 m。

3.4 水库左、右岸低垭口截渗混凝土重力式挡土墙设计计算

挡土墙稳定计算根据《水工挡土墙设计规范》（SL 379-2007）中的公式进行计算。

（1）挡土墙的抗滑稳定安全系数应按下式计算：

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；∑W为作用于墙体上的全部垂直力的总和,kN；∑P为作用于墙体上的全部水平力的总和,kN；f为底板与墙基之间的摩擦系数,取值0.4。

（2）挡土墙的抗倾稳定安全系数应按下式计算：

式中：K0为抗倾稳定安全系数；MV、MH为倾覆力矩,kN·m。

（3）挡土墙基底压应力应按下式计算：

式中：σmax、min为基底的最大和最小压应力,kPa；∑G为垂直荷载,kN；A为底板面积,m2；∑M为荷载对底板形心轴的力矩,kN·m；ΣW为底板的截面系数,m3。

挡土墙稳定计算结果见表4～表6。

表4 挡墙抗滑稳定计算成果

表5 挡墙抗倾覆稳定计算成果

表6 挡墙基底应力最大值与最小值之比计算表

表7 坝坡稳定计算材料参数

表8 坝坡稳定计算工况

表9 标准剖面最小安全系数计算成果表

经计算,挡墙设计尺寸能满足抗滑、抗倾覆以及基底应力最大值与最小值之比满足规范要求。

3.5 坝坡稳定计算

坝坡稳定计算采用河海大学Auto-bank计算软件中边坡稳定计算程序进行,本次计算对坝体上、下游边坡分别采用计算条块间作用力的简化毕肖普法（圆弧滑动）,计算公式为：

式中：各参数详见《岩土工程勘察规范》。

4 结语

水库水工建筑物设计是水库建设的重要组成部分,其中水工建筑物相关的计算是水工建筑物设计中的难点,在设计中有些也引入了一些新的方法如有限元法[2]。张海龙等运用公式法对守口堡水库大坝进行了稳定计算,取得了一定的效果[3]。兰州新区庙儿沟水库工程地处兰州新区秦川镇境内,经新建新区庙儿沟水库调节后,由供水管道向兰州新区城市矿产与表面处理产业园和园区东南部3万亩现代农业供水。本工程由引水工程、调蓄水库工程、供水工程组成。本文选取了进口、无压洞水力学、坝顶高程、水库左、右岸低垭口截渗混凝土重力式挡土墙,坝坡进行稳定计算分析,经过设计计算分析,结果均满足设计规范要求,目前该水库工程进展顺利,可为以后同类工程的建设设计提供参考和依据。