爛塘水庫溢洪道水力計算實例

王海軍 瞿 泓 陳擎?zhèn)?貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州 貴陽 551416

一、工程概況

爛塘水庫位于都勻市南郊小圍寨辦事處轄區(qū)內(nèi),工程主要由水庫樞紐和灌溉渠系建筑物組成。水庫樞紐包括大壩、溢洪道、放水設(shè)施等建筑物。該工程于1981 年建成,溢洪道位于大壩左岸,為岸邊開敞式自由溢流,全長48.0m,堰頂高程為1192.7m,溢流凈寬1.8m。泄槽段為溢洪洞,洞長44.5m,呈城門洞型,洞寬1.8m,邊墻采用混凝土澆筑,高1.0m,厚0.4m,頂拱為砂漿砌料石,頂拱直徑為1.8m,厚0.36～0.4m 不等,洞身凈高1.9m,底板為漿砌塊石砌筑,出口未設(shè)置消能設(shè)施,為天然陡坎,基巖裸露。溢洪道底板局部損壞,溢洪洞洞頂有砌石脫落現(xiàn)象,泄槽邊坡未作支護處理,易垮塌堵塞溢洪道,末端未設(shè)消能設(shè)施。

二、工程措施

經(jīng)復(fù)核,水庫在現(xiàn)狀下抗洪能力不滿足規(guī)范要求,按邊墻預(yù)留0.3m 的超高計算,現(xiàn)狀溢洪道容許最大下泄流量為1.8m/s,需采取措施進行處理。對于溢洪道下泄能力不足的問題,采用的以下兩種方案進行比較。第一種方案為加寬溢流寬度,提高其泄洪能力,這一方案可適當(dāng)降低水庫水位;第二種方案為延長壩頂防浪墻至溢洪道右邊墻,提高其溢流深度,達到設(shè)計的洪水安全下泄的目的,這種方案水庫水位相對較高,需加高壩頂下游側(cè)的壩體。兩方案比較,方案一投資較方案2節(jié)省5.16萬元,最高洪水位較方案2低0.32m。由此可見,方案二不僅投資高,而且最高庫水位也較方案一高,增加了水庫抗洪的風(fēng)險,因此從工程運行安全及節(jié)約投資的角度出發(fā),溢洪道改造方案選用方案一——在壩頂增設(shè)溢洪道,同時對原有的岸坡溢洪道進行整治加固。

三、壩頂增設(shè)溢洪道水力計算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253-2000)規(guī)定,本工程溢洪道泄洪能力按200年一遇(P=0.5%)洪水標(biāo)準(zhǔn)下泄流量設(shè)計,消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)取10年一遇(P=10%)下泄流量設(shè)計。

1.下泄能力復(fù)核

按照《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253-2000),泄流能力按下式計算:

式中:Q—泄流量,m/s;M-綜合流量系數(shù),M=1.5;B-溢流堰寬度,5.8m;H-堰上水頭。

按滿足校核洪水所需超高0.711m 計,現(xiàn)防浪墻頂部高程為1194.70m,其最大泄洪能力可達到12.73m/s(其中壩頂溢洪道下泄8.78m/s,岸坡溢洪道下泄3.95m/s),能滿足下泄校核洪水下的7.89m/s的要求。

2.泄水槽段水面線

(1)岸坡溢洪道

泄槽水面線根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253-2000)中能量方程,用分段求和法計算,計算公式如下:

式中:

根據(jù)上述條件及公式,當(dāng)發(fā)生校核洪水時(P=0.5%),校核洪水位1193.64m,最大下泄流量Q=2.5m/s,經(jīng)計算,溢洪道泄槽段各斷面水深與平均流速計算成果,見表1。

表1 岸坡溢洪道泄水槽段特性表

(2)壩頂溢洪道

計算公式見前述,當(dāng)發(fā)生校核洪水時(P=0.5%),校核洪水位1193.64m,最大下泄流量Q=5.5m/s,經(jīng)計算,溢洪道泄槽段各斷面水深與平均流速計算成果見表2。

表2 壩頂溢洪道泄水槽段特性表

3.下游挑距計算

由于岸坡溢洪道尾端為天然跌坎,且基巖裸露,出口距大壩較遠,下泄洪水不會對工程區(qū)建筑物造成危害,故不設(shè)置專門的消能設(shè)施。在壩頂溢洪道泄槽尾段設(shè)置了挑流鼻坎,將下泄水流挑離泄槽,確保大壩安全,鼻坎高程為1177.61m,挑角為23°。挑流消能的水力要素按照《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253-2000),水流挑距估算公式為:

式中:L—水舌挑距(m),L為鼻坎下游垂直面到挑流水舌外緣進入下游水面后與河床面交點的水平距離(m);v1—坎頂水面流速(m/s),取坎頂平均流速v的1.1 倍;θ—鼻坎的挑射角(°),23°;h1—坎頂平均水深h在鉛直方向的投影(m),即h1=hcosθ;h2—坎頂至河床表面高差(m);g—重力加速度。

溢洪道下泄不同洪水標(biāo)準(zhǔn)時相應(yīng)的水力特性見表3。

表3 挑距和沖坑計算成果表

沖坑底高程均高于大壩建基面,下泄水流不會對大壩的安全造成危害,泄洪是安全的。

四、壩體溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.結(jié)構(gòu)布置

壩體溢洪道布置于河床中部靠左岸,為無閘控制自由溢流,堰頂高程為1192.70m。橫向總長5.0m,包括溢流孔、兩個邊墩,溢流孔寬4.0m,邊墩厚為0.5m。溢流段最大壩高21.0m,建基面高程1171.7m,底寬20.17m。閘墩頂高程為1194.20m,邊墩結(jié)合導(dǎo)墻設(shè)置,延伸至挑流鼻坎末端。為了減少工程量,導(dǎo)墻自1192.7m 以下向內(nèi)側(cè)收縮,收縮角為3.77°,鼻坎末端溢流寬度為2.0m。溢流堰堰頭修圓,夾角為90°,半徑為0.5m,堰型采用寬頂堰,泄槽首段也作修圓處理,夾角為51°,半徑為3.0m。堰面下游為1:0.82的斜坡連接段,后接挑流反弧段,反弧半徑3.0m,挑射角23°,鼻坎末端高程1177.61m。邊墻、堰面均采用C25鋼筋混凝土。

在壩頂溢洪道進口布置一跨簡支現(xiàn)澆人行交通橋連接兩側(cè)交通,解決水庫運行管理與維護的要求。橋凈跨為4.0m,橋面寬度1.6m,板厚0.2m。交通橋板采用C25鋼筋混凝土鋼筋混凝土澆筑。

2.邊墻高度計算

根據(jù)前述水力計算成果,按《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253-2000)的規(guī)定進行邊墻高度計算。計算成果,見表4。

表4 泄水槽段邊墻高度計算成果表

五、加固改造后評價

加固改造處理后,溢洪道能下泄要求的最大泄量,泄槽、邊墻強度、穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求,采用挑流消能的方式?jīng)_坑底高程高于大壩建基面高程,泄洪是安全的。項目完成后,能夠在防洪的同時,還可以解決一部分農(nóng)業(yè)灌溉用水,促進當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展,能夠帶來很大的社會經(jīng)濟效益。