前進(jìn)水庫輸水洞除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)剖析

許春波，宋 妍

( 黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

前進(jìn)水庫位于黑龍江省賓縣民和鄉(xiāng)的東北部，距賓縣縣城28 km，地理坐標(biāo)為北緯45°42'，東經(jīng)127°35'，屬于大通河上游的一級支流，是一座以楊家崗溝為主要水源，以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)魚等多種經(jīng)營的小(1) 型水庫。前進(jìn)水庫壩址以上集水面積17 km2。

1 工程現(xiàn)狀

前進(jìn)水庫始建于1958年，1967年續(xù)建，1975年水庫3 項(xiàng)主體工程基本竣工。水庫經(jīng)20 多年運(yùn)行，發(fā)揮了顯著效益，原灌溉水田116 hm2，養(yǎng)魚15 萬尾，年平均捕魚2 000 kg;防洪保護(hù)5個(gè)村屯，人口2 200人，農(nóng)田1 000 hm2。

前進(jìn)水庫位于山丘區(qū)，但大壩擋水高度低于15 m，且上下游水頭差＜10 m，洪水標(biāo)準(zhǔn)按平原區(qū)確定，本次復(fù)核按《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》( SL252－2000) ，水庫等級為Ⅳ等，水庫最大庫容大于100 ×104m3，按平原區(qū)小(1) 型水庫下限10 a一遇洪水設(shè)計(jì)，50 a一遇洪水校核。設(shè)計(jì)洪水位為134.97 m，相 應(yīng) 庫 容 為180.64 ×104m3，相 應(yīng) 泄 量 為7.83 m3/s; 校核洪水位為135.64 m，相應(yīng)庫容為236.36 ×104m3，相應(yīng)泄量為22.38 m3/s。

前進(jìn)水庫為Ⅳ等工程，主要建筑物為4 級，主體工程由土壩、溢洪道和輸水洞3 部分組成。

輸水洞位于土壩右端，底高程131.50 m，為壩下埋管，洞長20 m，管徑100 cm，為水泥管連接，基礎(chǔ)為漿砌石。2008年對進(jìn)出口進(jìn)行維修，進(jìn)口為混凝土啟閉臺(tái)，平板鋼閘門，出口重新修建了消力池，但水泥管洞身未做處理，目前洞身水泥管斷裂，接縫處漏水嚴(yán)重。

2 工程布置

本次除險(xiǎn)設(shè)計(jì)對原有輸水洞進(jìn)行拆除重建。

輸水洞位于土壩右岸，土壩樁號0 +395 處，采用鋼筋混凝土方涵。按死水位過灌溉流量計(jì)算確定進(jìn)口底高程為131.00 m。

輸水洞主要由進(jìn)口段、閘室段、洞身段、消力池、海漫段等組成。

進(jìn)口段:采用鋼筋混凝土U 型槽結(jié)構(gòu)，底寬1.2 m，長度為7.00 m，底板頂高程為131.00 m，底板厚0.6 m。

閘室段:由2.5 m閘室及3.0 m涵洞組成，全長5.50 m，閘室段凈寬1.2 m，底板頂高程為131.00 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室邊墩頂高程為134.80 m，邊墩寬0.8 m，底板厚1.0 m。涵洞結(jié)構(gòu)尺寸為1.2 m×1.6 m×1( 寬× 高× 孔) 。閘室設(shè)一扇工作門，一扇檢修門，上部設(shè)有排架及工作橋。

洞身段: 為鋼筋混凝土方涵，結(jié)構(gòu)尺寸為1.2 m×1.6 m×1( 高×寬×孔) ，共分2 節(jié)，每節(jié)9.0 m，總長為18.0 m。洞壁厚0.4 m，進(jìn)口底高程為131.00 m，出口底高程為130.82 m。

消力池段:采用鋼筋混凝土U 型槽結(jié)構(gòu)，凈寬1.2 m，長度為12.0 m，池深0.7 m，底板頂高程為129.80 m，底板厚0.6 m。

海漫段: 海漫段長20.0 m，底寬為1.2 m，渠底高程為130.50 m。護(hù)砌采用厚30 cm干砌塊石護(hù)砌，下設(shè)15 cm砂礫石墊層及無紡布一層。海漫段后接灌溉渠道，邊坡1∶2.0。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 水力計(jì)算

輸水洞不參與泄洪，灌溉期為控制泄流。輸水洞過流能力計(jì)算，復(fù)核興利情況及枯水期情況輸水洞過流能力及結(jié)構(gòu)尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.1 水力設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的庫水位與流量見表1。

表1 水力參數(shù)表

3.1.2 過流能力計(jì)算

涵洞的過流能力按無壓涵公式計(jì)算:

式中:Q 為涵洞過流量，m3/s; B 為洞寬，m，取1.2 m; H0為包括行進(jìn)流速水頭在內(nèi)的進(jìn)口水深，m; g 為重力加速度，g =9.81 m/s2;hs為洞進(jìn)口內(nèi)水深，m，對短洞可按hs=h－iL 計(jì)算求得，對長洞需以出口水深為控制水深，從出口斷面向上游推算水面線以確定洞進(jìn)口內(nèi)水深; m 為流量系數(shù)，可近似采用m=0.36;ε 為側(cè)收縮系數(shù)，可近似采用ε=0.95;σ 為淹沒系數(shù); v 為上游行進(jìn)流速，m/s; 經(jīng)計(jì)算: Q =0.72 m3/s ＞0.70 m3/s，洞高1.6 m滿足凈空要求。灌溉最低水位時(shí)，灌溉洞能放出灌溉流量即滿足要求。

3.1.3 消能計(jì)算

根據(jù)前進(jìn)水庫的地形及地質(zhì)條件，適宜做底流消能，確定消能方式采用底流消能。

1) 收縮水深可按下式計(jì)算:

式中:hc為收縮水深，m;T0為總勢能，m; q 為過閘單寬流量，m3/s/m;σ 為水流動(dòng)能校正系數(shù)，取1.0 值;φ 為流速系數(shù)，取0.95 值。

2) 躍后水深可按下式計(jì)算:

3) 出池落差可按下式計(jì)算:

式中:ΔE 為出池落差，m;h'

s 為出池河床水深，m。

4) 消力池深度可按下式計(jì)算:

濕式電除塵器的結(jié)構(gòu)與干式電除塵器相類似，均有相應(yīng)的進(jìn)出口喇叭、殼體、灰斗、電場陰陽極等基本的結(jié)構(gòu)，其主要區(qū)別在于，干式除塵器采用機(jī)械振打清灰，而濕式除塵器采用水沖洗清灰。金屬板式濕電通常采用臥式，煙氣水平進(jìn)風(fēng)水平出風(fēng)；而導(dǎo)電玻璃鋼管式濕電采用立式布置，煙氣方向?yàn)樯线M(jìn)下出或下進(jìn)上出。目前，燃煤電廠濕式除塵器的布置形式主要有以下2種類型：

式中:σ0為水躍淹沒系數(shù)，可采用1.05 ～1.10。

3.1.3.2 消力池長度計(jì)算

1) 水躍長度計(jì)算:

式中:Lj為水躍長度，m。

2) 消力池長度可按下式計(jì)算:

式中:Lsj為消力池長度，m;Ls為消力池斜坡段投影長度，m;β為水躍長度校正系數(shù)，可采用0.7 ～0.8。

3.1.3.3 海漫長度計(jì)算

式中:Lp為海漫長度，m;q'為消力池末端單寬流量，m3/s/m;ks為海漫長度計(jì)算系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算: 消力池深0.25 m，水躍長度為3.08 m，海漫長8.78 m;取消力池深為0.8 m，池長9.0 m，海漫長15.0 m。

3.2 穩(wěn)定驗(yàn)算

主要是對選定的輸水建筑物工程的閘室、洞身等主要工程部件進(jìn)行抗滑、抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算及地基承載力復(fù)核。

輸水洞基礎(chǔ)坐落在黏土地基上，地基容許承載力為［σ］=180 kPa。

3.2.1 閘室穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷強(qiáng)度公式，計(jì)算公式如下:

式中:Kc 為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù); ∑G 為作用在閘室上的全部豎向荷載( 包括閘室基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力在內(nèi)) ，kN;∑H 為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN; ［Kc］為閘室沿基礎(chǔ)底面的容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù); f 為閘基底面與巖基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，f=0.30。

3.2.2 閘室段地基應(yīng)力分析

計(jì)算公式:

式中:B 為閘室段長，m;e 為偏心距，m; σmax、σmin分別為最大最小應(yīng)力，kPa;

∑G 為作用于堰體上的全部豎向荷載，kN; ∑M 為作用于堰體上的全部豎向荷載和水平荷載對地基面垂直水流方向的形心力矩，kN·m;η 為不均勻系數(shù)。輸水洞穩(wěn)定計(jì)算成果詳見表2。

表2 輸水洞穩(wěn)定計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算，基底垂直正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，正應(yīng)力值均在本次地質(zhì)報(bào)告中給出的基礎(chǔ)低液限黏土［σ］=180 kPa范圍內(nèi)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 洞身穩(wěn)定計(jì)算

經(jīng)計(jì)算輸水洞洞身段地基承載力=91.1 kPa ＜［σ］=180 kPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 滲流分析

輸水洞上、下游水位差H=3.72 m，基礎(chǔ)為黏土。滲徑系數(shù)C=3 ～4，取C=4。

為滿足滲流穩(wěn)定要求，防滲長度必須滿足以下公式:

式中:L 為防滲長度，m; C 為滲徑系數(shù)，取4; ΔH 為上下游水頭差，m。經(jīng)計(jì)算滲徑長度L=3.72 ×4 =14.88m。本次設(shè)計(jì)輸水洞的防滲長度為54.40 長度，滲流穩(wěn)定。

3.4 抗凍設(shè)計(jì)

為防止凍脹破壞，輸水洞閘室基礎(chǔ)和側(cè)墻、洞身四周均采取防凍措施，保溫板鋪設(shè)及砂礫石回填均按《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL211－2006) 有關(guān)條款設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)在輸水洞閘室基礎(chǔ)及側(cè)面、洞身四周及擋土墻基礎(chǔ)及側(cè)面鋪設(shè)一層厚度為10 cm的擠塑保溫板。

根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL211－2006) ，保溫板的厚度可按下式計(jì)算:

式中:δx為保溫材料厚度，m; α 為系數(shù)，取α =0.33; ψd為－日照及遮蔭程度影響系數(shù)，ψd=1.03; ψi為典型斷面某部位的日照及遮陰程度修正系數(shù)，ψi=1.05; λx為保溫材料在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m·℃) ，取λx=0.03; R0為工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計(jì)熱阻值，m2·℃/W) ，取R0=3.07;δc為基礎(chǔ)材料厚度，m;δc=0.4;λc為基礎(chǔ)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m·℃) ，對于混凝土板，取λc=2.94;K 為安全系數(shù)，取K=1.1。經(jīng)計(jì)算，需要的保溫板厚度為10 cm，設(shè)計(jì)保溫板厚度10 cm滿足要求。

4 結(jié) 語

水庫除險(xiǎn)加固后，可以從根本上解除水患，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，增強(qiáng)抗御水旱災(zāi)害的能力，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增加農(nóng)民收入，保護(hù)和改善了水庫下游防洪安全，為促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展、提高種植業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，加快區(qū)域地方政治、經(jīng)濟(jì)、文化等發(fā)展起到積極的作用。

［1］中華人民共和國水利部. GB50201－94 防洪標(biāo)準(zhǔn)［S］. 北京:中國計(jì)劃出版社，1994.

［2］江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院. SL379－2007 水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，2007.

［3］江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院. SL265－2001 水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［4］水利部東北勘測設(shè)計(jì)研究院. SL211－98 水工建筑物抗凍設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，1998.

［5］中華人民共和國水利部. GB50288－99 灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國計(jì)劃出版社，1999.