中洲水庫溢洪道水力設(shè)計

中洲水庫溢洪道水力設(shè)計

1設(shè)計規(guī)模、水質(zhì)中洲水庫位于江西省楊江水系，庫以上耕地面積為3.7公里。水庫始建于1964年12月,1965年6月竣工,是一座以灌溉為主,結(jié)合防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的小(一)型水庫。水庫樞紐工程由大壩、開敞式溢洪道、灌溉放水系統(tǒng)、渠系等組成(詳見圖1)。大壩為均質(zhì)土壩,根據(jù)《水利水電工程等級劃分及防洪標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)確定本工程永久性主要建筑物為4級,永久性次要建筑物為5級,大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇;溢洪道消能防沖建筑物設(shè)計采用20年一遇洪水。水庫校核洪水位為118.00m,相應(yīng)最大下泄流量55.25m3/s;設(shè)計洪水位為117.70m,相應(yīng)最大下泄流量35.10m3/s;正常蓄水位為116.85m,死水位101.55m。2008年對中洲水庫大壩、溢洪道進(jìn)行除險加固設(shè)計。2009年對工程進(jìn)行除險加固。大壩加固設(shè)計壩頂高程119.35m,最大壩高21.00m,壩頂長97.00m,壩頂寬5.00m。溢洪道位于大壩左岸,為開敞式溢洪道,堰頂進(jìn)口高程116.85m。本次加固設(shè)計方案:將原堰體和底板邊墻拆除重建,增設(shè)泄槽和消力池、出水渠道。溢洪道全長58.75m,底板采用C20鋼筋砼襯砌,邊墻采用C15重力式擋土墻襯砌。2滲流造成壩體內(nèi)部邊坡抗傾覆性由于水庫年久失修,溢洪道堰體漿砌石、面層砼質(zhì)量差,面層砼開裂,局部脫落出現(xiàn)孔洞;堰基巖體為強(qiáng)風(fēng)化長石石英砂巖,具中等~強(qiáng)透水性,存在嚴(yán)重的堰基滲漏問題,且襯砌砼底板大面積剝蝕、隆起、開裂、松動,任其發(fā)展,將失去襯砌保護(hù)的功能,影響溢洪道泄洪能力;溢洪道左側(cè)邊坡陡峭近于直立,坡面巖體風(fēng)化破碎,見有坍塌掉塊;溢洪道邊墻抗傾覆性不滿足規(guī)范要求。溢洪道無消力池,無出水渠;歸河問題未解決,一旦泄洪,將沖毀農(nóng)田,甚至危及大壩的安全。2007年,經(jīng)江西省吉安市水務(wù)局組織專家鑒定,中洲水庫大壩屬于三類壩,必須對其進(jìn)行除險加固。本文僅討論該工程溢洪道的除險加固。3溢流道除險加固設(shè)計3.1洪水調(diào)節(jié)計算中洲水庫所在流域無實測流量資料,也無出、入庫流量觀測資料,屬無水文資料地區(qū),同時在本流域附近也沒有合適水文站資料可以移用。因此,本次中洲水庫除險加固設(shè)計洪水,采用《江西省暴雨洪水查算手冊》中推薦的方法,根據(jù)設(shè)計暴雨推求,集水面積小于30km2的流域一般采用推理公式法推求設(shè)計洪水。洪水調(diào)節(jié)計算采用輔助曲線法(半圖解法),求得各頻率下洪水調(diào)節(jié)計算成果,見表1。經(jīng)調(diào)洪計算,由此求得中洲水庫P=3.33%的設(shè)計洪水位為117.70m,相應(yīng)庫容151萬m3,P=0.33%的校核洪水位為118.00m,水庫總庫容為157萬m3。3.2縱坡2/4泄流能力溢洪道進(jìn)口為三圓弧實用堰,弧長23.00m,堰體10m后接一矩形薄壁堰,堰寬11.00m,堰后接長6.00m,縱坡1/4,進(jìn)口寬11.00m,出口寬7.00m的一級泄槽;其后接長46m的二級泄槽,縱坡1/70,出口寬5.5m。其泄流能力按實用堰流理論計算:式中:Q—流量,m3/s;m—流量系數(shù)(取m=0.44,根據(jù)江西省水利科學(xué)研究院王仕筠高級工程師在1987年通過水工模型試驗數(shù)據(jù));B—溢流寬度(取B=23m);求出庫水位與下泄流量的關(guān)系,其結(jié)果見表2。3.3增強(qiáng)設(shè)計3.3.1主要計算模型由于原溢洪道進(jìn)口為三圓弧實用堰,根據(jù)因地制宜的原則,溢洪道平面布置維持原布置格局不變。經(jīng)方案比較,溢洪道進(jìn)口采用三圓弧實用堰,堰面形狀采用WES曲線,后接1∶0.7的直線段,后接反弧段,詳見圖2。堰體進(jìn)口寬為23.00m,圓弧半徑分別為R1=4.83,R2=13.41,夾角α1=80°、α2=34.75°,具體見圖2。WES堰曲線方程為x1.5=2y,上游面采用橢圓曲線,曲線方程為x2/0.32+(0.17-y)2/0.172=1。溢流堰堰頂高程為116.85m,堰基高程為114.40m,反弧半徑為0.50m,反弧段最低點高程為115.20m。溢流堰底寬2.50m、高2.45m。堰體采用C25鋼筋砼,設(shè)置兩條伸縮縫,縫內(nèi)采用止水銅片止水。堰后接10.50m長平坡過渡段,出口寬11.00m。底板采用0.2m厚C20鋼筋砼襯砌。邊墻采用C15砼重力式擋土墻襯砌。進(jìn)口堰兩端設(shè)C15砼截水墻,以免水流沿土壩與邊墻,岸坡與邊墻之間滲漏。截水墻寬0.50m,深2.00m;邊墻擋土墻高3.30m,底板厚0.50m,頂寬0.30m,底寬1.30m。3.3.2邊墻及邊坡計算(1)校核洪水位時水面線計算。根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253-2000),溢洪道泄槽水面線根據(jù)能量方程,用分段求和法計算,以斷面0+000為起始斷面,根據(jù)己知的流量和水深h1,假設(shè)相鄰斷面0+006的水深h2,依據(jù)能量方程△L=△ES/(i-J),求得第Ⅰ流段的長度△L1,以斷面0+006處的水深作為第Ⅱ流段的長度△L2,逐段計算,即可推求明渠段、泄槽段的水面線。再考慮摻氣影響及安全超高,可算出需要的邊墻高度。計算結(jié)果見表3。(2)邊墻高度計算。主要斷面邊墻高度計算見表4。其中,摻氣水深計算按下式計算:式中:h、hb—泄槽計算斷面的水深、摻氣后的水深,m;v—不摻氣時計算斷面的流速,m/s;ζ—修正系數(shù),取1.1。計算結(jié)果見表4。(3)邊坡處理設(shè)計。溢洪道左側(cè)邊坡近于直立,坡面巖體風(fēng)化破碎,見有坍塌掉塊。且未襯護(hù),易塌方,影響泄洪安全?，F(xiàn)對溢洪道左側(cè)邊坡進(jìn)行削坡處理,將邊墻以上溢洪道邊坡削至1∶0.75,見圖3。邊墻采用C15砼重力式擋土墻襯砌,如圖4、圖5所示。3.3.3設(shè)計條件及設(shè)計流量本工程溢洪道為底流消能,消力池為等寬矩形斷面,根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000),消能防沖建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,設(shè)計流量為28.0m3/s。新建消力池采用C20鋼筋砼結(jié)構(gòu),池凈寬5.50m,依據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265-2001)進(jìn)行計算,消力池的池深為20.00m,池長為20.00m。3.3.4擋土墻、墻體的布置本工程出水渠分兩段,均為陡坡矩形渠道,底寬為5.50m。第一段長為15.00m,進(jìn)口高程103.70m,出口高程102.0m,縱坡為1/9;第二段長為28m,進(jìn)口高程102.00m,出口高程100.00m,縱坡為1/14,底板采用厚0.15mC15鋼筋砼襯砌。邊墻采用重力式擋土墻,墻高2.00m,底板C15砼厚0.30m、寬1.50m,頂寬0.50m,采用0.10m的C15砼壓頂,襯砌長73.00m。擋土墻墻身設(shè)Φ50排水孔,間距為5.00m。后直接接原河床。4溢洪道平面布置溢洪道除險加固設(shè)計對整個水庫除險加固來說非常重要,其設(shè)計應(yīng)因地制宜,兼顧投資。中洲水庫原溢洪道進(jìn)口為三圓弧實用堰,根據(jù)因地制宜的原則,溢洪道平面布置維持原布置格局不變。我們在溢洪道除險