蘭州新區廟兒溝水庫工程主要結構設計計算分析

馮龍龍

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司 ,甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

蘭州新區廟兒溝水庫工程地處蘭州新區秦川鎮境內,位于新區秦川鎮石門溝移民點東北的西溝,蘭州新區廟兒溝水庫為注入式水庫,以引大東二干渠末端渠水為水源,利用引大東二干渠末端已建的石門溝2#水庫引水渠,將引大東二干渠水引至石門溝2#水庫,經石門溝2#水庫供水管道將水引至石門溝3#水庫,之后從石門溝3#水庫引水入庫,經新建新區廟兒溝水庫調節后,由供水管道向蘭州新區城市礦產與表面處理產業園和園區東南部3萬畝現代農業供水。蘭州新區廟兒溝水庫總庫容約818萬m3,興利庫容723萬m3,死庫容62萬m3,水庫正常蓄水位2127.92 m,設計洪水位2128.11 m,校核洪水位2128.50 m,死水位為2109.10 m。工程年總供水量為2266萬m3,其中工業供水量為1142萬m3,農業供水量為1123萬m3,工程年引水量為2453萬m3。

2 工程布局及主要內容

工程總體布局：本工程以引大東二干渠末端渠水為水源,利用引大東二干渠末端已建的石門溝2#水庫引水渠,通過石門溝2#水庫和石門溝3#水庫“串聯”輸送、引水入庫,經水庫調節后,原水由供水管道沿西溝西側至車路溝,然后橫穿車路溝至南側支溝一路向南至道人溝溝底,橫穿道人溝至提路溝,沿提路溝至小石門溝,沿小石門溝西側經高家莊橫穿緯54路,最終向東輸送至表面處理園區中部。

主要建設內容：本工程由引水工程、調蓄水庫工程、供水工程組成。引水隧洞進口布置于石門溝3#水庫庫區左岸,設計引水流量2.0 m3/s,引水線路總長666 m；擋水主壩為壤土心墻堆石壩,壩頂高程2130.80 m,壩頂寬度6.0 m,最大壩高61.5 m；供水線路長約11.6 km,供水流量1.08 m3/s。

3 主要建筑計算分析

3.1 進水口水力學計算

引水建筑物水力學計算就是根據已知的或給定的其他一些參數求出水流過程未知的特性參數[1]。引水隧洞進水口為有壓短洞進口,經長30 m有壓短洞與豎井閘室段相接。閘室工作門孔口尺寸為1.5 m×1.5 m（寬×高）,引水流量公式為：

式中：Q為流量,m3/s；μ為流量系數,與閘孔形狀、流速系數φ有關；b為每孔凈寬；T0為上游水位至閘底板的水頭,m；ω為隧洞出口面積；hp為隧洞出口斷面平均單位勢能。

式中：ω為隧洞出口斷面面積；ξi、ωi為局部能量損失系數,及相應的斷面面積；li為隧洞某段長度,與之相應的斷面面積ωi、水力半徑Ri、舍齊系數Ci。

計算成果見表1。

表1 引水有壓隧洞過流能力計算表

經計算,引水隧洞有壓洞段最大過流能力為28.6 m3/s。

3.2 引水無壓洞段水力學計算

引水無壓隧洞段按明渠均勻流計算,計算公式如下：

式中：Q為輸水流量,m3/s；A為過水斷面面積,m2；C為謝才系數；N為糙率；R為水力半徑,m；i為縱坡比降。

計算成果見表2。

表2 引水隧洞無壓洞段水力學計算

根據《水工隧洞設計規范》（SL 279-2016）,低流速無壓隧洞,洞內水面線以上空間不宜小于隧洞斷面面積的15%,因此,引水隧洞無壓洞段最大過流能力為6.6 m3/s。因此,為滿足引水流量2.0 m3/s須經工作門控制流量。

3.3 壩頂高程的計算

1）壩頂超高計算公式：

式中：y為壩頂超高,m；R為最大波浪在壩坡上的爬高,m；e為安全加高,m；A為最大風壅水面高度,m。

2）正向單坡上的平均波浪爬高：

式中：Rm為平均波浪爬高,m；m為單坡坡度系數；K為斜坡糙率滲透系數（取0.90）；Kw經驗系數（取1.0）；hm為平均波高,m；Lm平均波長,m。

設計波浪爬高值應根據工程等級確定,本工程為3級壩,采用累計頻率為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試驗站公式：

式中：hm為平均波高,m；Tm為平均波周期,s；W為計算風速；D為風區長度；Hm為水域平均水深；g為重力加速度；Lm為平均波長；H為壩前迎水面水深,m。

④風壅水面高度計算：

式中：e為計算點處的風壅水面高度,m；D為風區長度,m；K為綜合摩阻系數,取3.6×10-6；β為計算風向與壩軸線法線的夾角,（°）。

根據上述計算公式,壩頂高程計算結果見表3。

表3 廟兒溝水庫壩頂高程計算表

根據以上計算結果,設計洪水位加正常運用條件工況下壩頂高程最大,計算值為2130.59 m,考慮留有適當的裕度,確定壩頂高程為2130.80 m。壩頂設1.2 m高防浪墻,防浪墻頂高程為2132.00 m。

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2020）要求,心墻土質防滲體頂部高程在正常運用條件靜水位以上安全超高不低于0.3 m,同時不低于非常運行條件的靜水位,同時心墻頂保護層厚度按不小于最大凍土深度考慮取1.5 m,確定心墻頂高程為2129.30 m。

3.4 水庫左、右岸低埡口截滲混凝土重力式擋土墻設計計算

擋土墻穩定計算根據《水工擋土墻設計規范》（SL 379-2007）中的公式進行計算。

（1）擋土墻的抗滑穩定安全系數應按下式計算：

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；∑W為作用于墻體上的全部垂直力的總和,kN；∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和,kN；f為底板與墻基之間的摩擦系數,取值0.4。

（2）擋土墻的抗傾穩定安全系數應按下式計算：

式中：K0為抗傾穩定安全系數；MV、MH為傾覆力矩,kN·m。

（3）擋土墻基底壓應力應按下式計算：

式中：σmax、min為基底的最大和最小壓應力,kPa；∑G為垂直荷載,kN；A為底板面積,m2；∑M為荷載對底板形心軸的力矩,kN·m；ΣW為底板的截面系數,m3。

擋土墻穩定計算結果見表4～表6。

表4 擋墻抗滑穩定計算成果

表5 擋墻抗傾覆穩定計算成果

表6 擋墻基底應力最大值與最小值之比計算表

表7 壩坡穩定計算材料參數

表8 壩坡穩定計算工況

表9 標準剖面最小安全系數計算成果表

經計算,擋墻設計尺寸能滿足抗滑、抗傾覆以及基底應力最大值與最小值之比滿足規范要求。

3.5 壩坡穩定計算

壩坡穩定計算采用河海大學Auto-bank計算軟件中邊坡穩定計算程序進行,本次計算對壩體上、下游邊坡分別采用計算條塊間作用力的簡化畢肖普法（圓弧滑動）,計算公式為：

式中：各參數詳見《巖土工程勘察規范》。

4 結語

水庫水工建筑物設計是水庫建設的重要組成部分,其中水工建筑物相關的計算是水工建筑物設計中的難點,在設計中有些也引入了一些新的方法如有限元法[2]。張海龍等運用公式法對守口堡水庫大壩進行了穩定計算,取得了一定的效果[3]。蘭州新區廟兒溝水庫工程地處蘭州新區秦川鎮境內,經新建新區廟兒溝水庫調節后,由供水管道向蘭州新區城市礦產與表面處理產業園和園區東南部3萬畝現代農業供水。本工程由引水工程、調蓄水庫工程、供水工程組成。本文選取了進口、無壓洞水力學、壩頂高程、水庫左、右岸低埡口截滲混凝土重力式擋土墻,壩坡進行穩定計算分析,經過設計計算分析,結果均滿足設計規范要求,目前該水庫工程進展順利,可為以后同類工程的建設設計提供參考和依據。