五大連池市紅升水庫除險加固工程溢洪道設計

劉 迪

（黑河市水利勘測設計院 黑龍江 黑河 164300）

1 工程概況

五大連池市紅升水庫位于訥謨爾河一級支流溫查爾河支流上，在五大連池市興隆鄉紅升村西側1km處，距五大連池市25km。紅升水庫是一座以灌溉為主，兼顧防洪、水產養殖等綜合利用的小（Ⅰ）型水庫，水庫設計灌溉面積1400 畝，水庫對下游紅升村1000 人、3000 畝耕地及北五公路具有一定的防洪保護作用。

紅升水庫壩址以上控制流域面積21.5km2， 設計標準按10 年一遇洪水設計，50年一遇洪水校核， 經規模復核： 校核洪水位277.98m，設計洪水位277.51m，死水位275.55m，校核總庫容216.00×104m3， 設計總庫容172.00×104m3， 死庫容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 溢洪道存在的問題

溢洪道處為凍脹土，進口及控制段已被沖毀，陡槽兩側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，已嚴重影響水庫正常泄洪，危及大壩安全。 故溢洪道應拆除重建，來保證大壩的安全。

3 溢洪道工程設計

表5.2-1 溢洪道規模投資比較表

3.1 溢洪道型式及規模比較

溢洪道采取有閘控制及無閘開敞式不同堰寬進行比較，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。

經方案比較，方案二投資最少，經濟合理，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

根據工程現狀，選定三個樞紐布置方案進行比較，方案一：溢洪道布置在大壩樁號0+486 處，開敞式岸邊溢洪道；方案二：溢洪道布置在大壩樁號0+486 處，開敞式岸邊溢洪道；方案三：溢洪道布置在大壩樁號0+450 處。

經方案比較，方案三經濟合理，投資最少，故選方案三。

3.3 工程布置及結構型式

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

進口鋼筋砼U 型槽總長17.2m， 其中第一段長8.5m，底寬為17.8m，底高程275.55m，底板厚0.50m ，第二段長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4.5m，底凈寬為15m，堰頂高程277.00m， 底板厚1.0m， 堰頂上部設交通橋， 陡槽U 型槽長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，以減小揚壓力，增強底板穩定性； 海漫采用干砌石梯形斷面， 總長16.90m，底寬15.80m，邊坡1:1.5，護坡護底采用30cm 厚干砌石，下設20cm 厚礫石墊層和10cm 厚粗砂墊層，底高程為275.35～275.32m。

3.4 水力計算

3.4.1 泄流能力計算

式中：Q——泄流量（m3/s）；

H0——包括行進流速在內的堰上總水頭；

B——堰頂寬度，B=15m；

ε——側收縮系數；

g——重力加速度，g=9.81m/s2；

m——流量系數。

式中：n——孔口數目;

b——孔口凈寬;

k——兩側邊墩形狀,取k=0.7;

ε=0.98

經計算：

Qmax設計=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 為不考慮摻氣時的水深， 水面線計算詳見表5.4-2。

表5.4-2 設計狀況泄槽段水面線計算成果表

表5.4-3 校核狀況泄槽段水面線計算成果表

3.4.3 消能計算

（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算，下游尾水渠底寬b=15.8m；m=1.5；n=0.033；i=1/500。

經計算：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——水流動能校正系數，取1.05；

T0——由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；q——過閘單寬流量（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）。

計算求得hc″=1.55m，hc″〉ht=0.63m，將發生遠趨勢水躍，需修建消力池。

（3）池深計算

式中：d——消力池深度（m）；

σ0——水躍淹沒系數；

△Z——出池落差（m）；

hs——出池河床水深；

φ——系數，φ=0.95。

經試算：d=0.5m，σ0=1.07。

（4）消力池水平段池長計算

L水平=βLj

Lj=6.9（hc″-hc）

式中：Lsj——消力池長度（m）；

L水平——消力池水平段長度（m）；

β——水躍長度校正系數，取0.8；

Lj——水躍長度（m）。

經計算：L水平=7.50m，d=0.5m，假定的消力池池深是合適的。

3.4.4 海漫長度計算

式中：L——海漫長度（m）

K——海漫長度校正系數；

ΔH——上下游水頭差；

q——海漫出口處單寬流量。

計算得L=9.56 m，取L=10m。

3.4.5 防沖槽深度計算

根據《水閘設計規范》（SL265—2001），海漫末端溝槽沖刷深度可按下式計算：

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]——溝槽土質允許不沖流速，取0.85（m/s）。

經計算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 穩定驗算

（1）土基上沿堰基底面的抗滑穩定安全系數計算公式如下：

式中：Kc——沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；

f——閘室基底面與地基之間的摩擦系數，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）基底應力計算公式：

式中：Pmax、Pmin——最大最小應力，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——閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。

堰體穩定計算按設計水位情況，計算成果見表5.4-4。

表5.4-4 堰體穩定計算成果表（水位277.51m）

由地質報告可知，閘基礎為低液限粘土，地基承載力為160kpa 左右。 根據水閘設計規范（SL265-2001）規定：特殊組合基底允許應力比為2.5， 本次計算的抗滑穩定系數為3，應力比為1.33，抗滑穩定系數及基底應力均滿足要求。

4 結論

紅升水庫溢洪道拆除重建工程是除險加固工程的重要組成部分，保證大壩的泄流能力，調節水庫正常蓄水，保證大壩正常運行。

水庫除險加固工程，可以從根本上解決水患，改善農業生產條件，增強抗御水旱災害的能力，促進農村經濟發展，增加農民收入，保護和改善區域防洪安全，為促進社會穩定發展、提高種植業經濟效益，加快五大連池市地方政治、經濟、文化等發展發揮積極作用。

［1］呂宏興，裴國霞，楊玲霞，主編.水力學[M].北京：中國農業出版社，2002.