三岔河溢洪道体形设计

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  [摘要]溢洪道是工程的一个水库泄洪设施,体形设计很关键,为避免高边坡陡坡段采用隧洞,两陡坡连接采用抛物线、出口与导流输水隧洞共用消力池。
  【关键词】溢洪道;隧洞段;两陡坡连接;消力池设计
  中图分类号: TV62 文献标识码: A 文章编号:
  1工程概况
  三岔河水库总库容1588.10万m3,拦河坝坝型为粘土心墙风化料坝,枢纽工程地震设防烈度为Ⅷ度,地震动峰值加速度为0.30g(概率为10%),地震动反应谱特征周期为0.4s。
  工程区位于强地震带中,区域构造不稳定。地震动峰值加速度为0.30g,地震动反应谱特征周期为0.4s,相应地震基本烈度为Ⅷ度。
  三岔河水库工程主要由大坝、输水隧洞、溢洪道、输水渠道等组成。
  大坝为土质心墙风化料坝,最大坝高67.0m,坝顶高程1896.00m,防浪墙顶高程1897.00m,坝顶宽取8m,坝轴线长194.90m。
  溢洪道布置于右坝肩岸坡,为有闸控制的开敞式,堰顶高程1890.00m(即汛限水位),堰宽B=4m,弧形闸门尺寸为4.0m×4.0m,设计下泄流量为45.5m3/s,校核下泄流量66.10m3/s,全长293.327m,由进水明渠、控制段、交通桥、陡坡段、消力池、下游护坦等组成。
  导流隧洞与输水隧洞相结合。导流输水隧洞经过比较选择布置于右岸,输水隧洞与施工导流隧洞在0+054.854m处相结合,输水隧洞与导流洞在平面上为一条直线,采用龙抬头的型式抬高到进口高程1860.00m,隧洞由进口引渠段、拦污栅段、矩形有压段、进口启闭塔、无压洞身段、出口抛物线扩散段、消力池段及出口护坦等建筑物组成。全长439.36m,设计输水流量为4.45m3/s,最大过流流量39.42m3/s,洞身采用城门洞断面2.0m×2.5m,钢筋混凝土全衬砌,衬砌厚0.45m。
  2.工程地质
  2.1引水段,65.0~88.0m(不稳定段)
  该段地形坡度15~20°,未见不良物理地质现象发育。上覆残坡积含碎石砂壤土厚0.5~1m,结构松散;下伏基岩为燕山期中~粗粒黑云母花岗岩,全风化,局部夹绢云母透镜体。地下水埋深约30~40m。
  该段地形较缓,无不良物理地质现象发育,自然边坡基本稳定。上覆残坡积层厚度较小,对工程影响不大。地下水位低于溢洪道底板,对工程无影响,但溢洪道底板均座置于全风化基岩上,岩体破碎,呈散体结构,强度低,抗冲刷能力差,存在边坡和底板冲刷破坏问题;局部还夹有透镜状绢云母软弱夹层,遇水易于软化,对工程不利;开挖邊坡高5~12m,局部达15m,开挖边坡不稳定。
  2.2泄槽段
  ①泄槽段88.0~143.0m(不稳定~极不稳定段):
  该段的基本地质条件与引水段(65.0~88.0m)相同:地形坡度15~20°,未见不良物理地质现象发育。上覆残坡积含碎石砂壤土厚0.5~1m,结构松散;下伏基岩为燕山期中~粗粒黑云母花岗岩,全风化,局部夹绢云母透镜体。地下水埋深约30~40m。
  该段地形较缓,无不良物理地质现象发育,自然边坡基本稳定。上覆残坡积层厚度较小,对工程影响不大;地下水位低于溢洪道底板,对工程无影响;溢洪道底板均座置于全风化基岩上,岩体破碎,呈散体结构,强度低,抗冲刷能力差,存在边坡和底板冲刷破坏问题;局部夹有透镜状绢云母软弱夹层,遇水易于软化,对工程不利;开挖边坡高3~20m,开挖边坡不稳定~极不稳定。
  ②隧洞段,143.0~201.0m(不稳定~极不稳定段):
  进出口段地形坡度约20°,表层为第四残坡积含碎石砂壤土和腐质土,厚约0.3~0.5m,均未发现不良物理地质现象发育。岩性为燕山期中~粗粒黑云母花岗岩,全~强风化,局部夹绢云母透镜体。地下水埋深大于15m。
  进出口段均无不良物理地质现象发育,自然边坡基本稳定。进出口段为全风化,岩体破碎,呈散体结构,开挖边坡和洞脸不稳定。洞身段为全~强风化,局部夹绢云母软弱夹层,岩体破碎,呈散体~碎裂结构,开挖过程中易出现坍塌、掉块等现象,属Ⅳ~Ⅴ类围岩,洞室围岩不稳定~极不稳定。
  ③泄槽段,201.0~275.0m(稳定性差~不稳定段):
  该段地形坡度20~25°,未见不良物理地质现象发育。岩性同前:为燕山期中~粗粒黑云母花岗岩,全~强风化,局部夹绢云母透镜体。地下水埋深5~20m。
  该段无不良物理地质现象发育,自然边坡基本稳定。地下水位低于溢洪道底板,对工程影响不大。溢洪道底板座置于强风化基岩上,岩体碎裂结构,抗冲刷能力弱,存在冲刷破坏;开挖边坡主要为强风化花岗岩,边坡高约4m,开挖边坡稳定性差。
  3溢洪道结构布置设计
  溢洪道布置于大坝右岸,采用闸门控制溢洪道堰顶高程1890.00m ,溢洪道宽度4m。
  溢洪道布置于右坝肩岸坡,紧靠大坝,为有闸控制,堰顶高程1890.00m,闸门尺寸为4m×4m的弧形门,P=2%设计下泄流量为45.5m3/s,P=0.1%校核下泄流量66.1m3/s,P=3.33%消能防冲流量41.8m3/s,全长293.327m,由进水明渠、控制段、交通桥、陡坡段、消力池、下游护坦等组成。
  进口引渠段全长38.81m,底坡i=-0.01,底宽4~8m,内边墙圆弧半径R=15m,圆心角φ=58.06°;外边墙圆弧半径R=30m,圆心角φ=55.05°,开挖边坡1:0.5~1:1.0。
  控制段全长26m,堰顶高程1890.00m,堰宽B=4m,底坡i=0,边墙高6.0m,底板采用钢筋混凝土浇筑,厚1.0m,在0+000.00处设置4m×4m的弧形门,闸门采用液压启闭,汛期7月中旬将闸门打开,溢洪道形成宽顶堰,自然溢流;汛末闸门关闭开始需水,当汛末遭遇50年以下的洪水,闸门局部开启下泄洪水,在溢洪道边墙顶部设4.0m×5.0m的启闭机房,在闸门控制段的底部设固结灌浆,控制段上设有一座宽8m的交通桥,全段采用C25钢筋混凝土衬砌。
  陡坡段全长183.517m,桩号(0+016.00~0+199.517),由第一陡坡段和第二陡坡段及圆弧段组成。
  第一陡坡段长119.332m,底坡i=0.25,桩号(0+060.00~0+120.00)开挖边坡较高,最高达到37m,为避免高边坡将明渠改为无压城门洞型,断面为3.0m×3.0m,进洞前溢洪道底宽由B=4.0m渐变为B=3.0m,出隧洞后采用B=3.0m等宽泄槽。
  两陡坡段采用抛物线连接。
  第二陡坡段(0+141.84~0+199.517)长58.433m,底坡i=0.625,断面均为矩形断面,底宽由B=3.0m渐变为B=6.0m,边墙高2.5m。
  消力池段(0+199.517~0+224.517),长25m。消能计算按30年一遇(P=3.33%)下泄流量Q=41.80m3/s计算,按50年下泄总流量Q=45.5m3/s校核,计算得消力池池长25m,池深2.0m。边墙高6.5m,顶部厚0.5m,底部厚1.2m,均采用C25混凝土浇筑成重力式挡土墙支护。在消力池底板及边墙设有排水孔。
  出口护坦段(0+224.517~0+234.517),长10m,底坡i=0.01,底宽10.4~9.7m。消力池中的水流平顺进入原河床,采用C15混凝土衬砌。
  为减少开挖工程量将溢洪道设计为整体U型槽,顶部厚0.4m,底部厚0.7m,全部采用钢筋混凝土浇筑。
  4水力计算
  溢洪道水力计算按《溢洪道设计规范》进行。
  4.1泄流能力计算
  采用的宽顶堰过流能力计算公式:
  Q=m·ε·BH
  式中: m—流量系数,m=0.38;
  ε—侧收缩系数,ε=0.912,m·ε=0.35;
   B—溢洪道宽度,B=4m;
   H0—堰上水头。
  
  4.2两陡坡段采用抛物线连接,抛物线方程按下列公式计算:
  
  经过计算
  表2抛物线方程坐标表
  
  
  
  
  4.3水面曲线
  计算按校核工况计算泄槽水力计算
  泄槽水面线根据能量方程,用分段求和法计算,计算公式如下:
  
  
  式中 —分段长度,m;
   h1、h2—分段始、末断面水深,m;
   v1、v2—分段始、末断面平均流速,m/s;
   、—流速分布不均匀系数,取1.05;
   θ—泄槽底坡角度,(º);
   —泄槽底坡,=tgθ;
   —分段内平均摩阻坡降;
   n—槽槽身糙率系数;
   —分段平均流速,,m/s;
  —分段平均水力半径,,m;
  水力半径R=A/X
   A—过水面积;
   X—过水湿周。
  4.4泄槽段水流掺气水深计算:
  泄槽段水流掺气水深 按下式计算
  
  式中h、hb—泄槽计算断面的水深及掺气后的水深,m;
   v—不掺气情况下泄槽计算断面的流速,m/s;
   —修正系数,可取1.0~1.4s/m,流速大者取大值。
  计算结果:泄槽边墙高度由校核工况(P=0.1%)掺气水深+超高(0.5~1.5m)确定,则泄槽段(一)段边墙高为3.0m,泄槽段(二)段边墙高为3.0m。
  5结构计算
  5.1控制堰
  
  a.抗滑稳定
  抗滑稳定分别考虑基本荷载及特殊荷载(地震情况)组合,并按《溢洪道设计规范》(SL253—2000)的抗剪断计算公式:
  K=
  摩擦系数f’=0.4,凝聚力c’=0.8MPa
  计算得基本荷载组合K=7.8>[k]=3.0,特殊荷载组合K=3.2>[k]=2.3,均能满足抗滑稳定要求。
  b.基础承载力验算
  各种荷载组合情况下的闸基垂直正应力按材料力学的计算方法:
  σy =
  经计算闸基最大垂直正应力σmax=86KPa,小于全风化基岩容许承载力[R]= 200Kpa,能满足规范要求。
  c.配筋计算
  边墙按纯弯结构配筋计算,外侧配筋按槽内无水时,右边墙后回填土荷载的最不利情况考虑,按最小配筋率配筋,选用7φ22@142.9(As=2661mm2)满足要求。内侧配筋计算:内侧配筋与外侧配筋相同,按构造要求配筋,选用7φ22@142.9(As=2661mm2)满足要求。
  底板按弹性地基梁计算,下层配筋选用5φ22@200(As=1900mm2)满足要求。上层按构造配筋即可,選用5φ20@200(As=1570mm2)满足要求。
  5.2陡槽
  陡槽按照《溢洪道设计规范》SL253-2000计算荷载
  陡槽抗滑稳定安全数Kc== 2.3<3.0,在不考虑消力池对陡槽的作用下,陡槽不能满足抗滑稳定要求。溢洪道底板加设长4.0m的锚筋,加上锚重,且陡槽末段与消力池相接,将陡槽末段和消力池联合计算其抗滑稳定,则Kc= 4.9>3.0,能满足抗滑稳定要求。
  边墙外侧配筋计算:按槽内无水时,右边墙后回填土荷载的最不利情况考虑,选用5φ18@200(As=1272mm2)满足要求。内侧配筋计算:按最小配筋率配筋,内侧配筋与外侧配筋相同,选用5φ18@200(As=1272mm2)满足要求。
  底板按弹性地基梁计算,下层配筋选用5φ22@200(As=1900mm2)满足要求。上层按构造配筋即可,选用5φ20@200(As=1570mm2)满足要求。
  6结论及建议
  1)溢洪道为3级建筑物,按50年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核;下游消力池按30年一遇洪水设计,溢洪道及消力池采用的洪水标准均符合《溢洪道设计规范》(SL253-2000)的规定。
  2)溢洪道布置在河床右岸,沿线坐落在全~强风化花岗岩上,在施工过程中,根据揭露的溢洪道沿线地质情况来看,全~强风化花岗岩地层完整,各地层位置与设计相同,地质参数指标与设计所选用的指标基本一致。
  3)溢洪道控制段采用有闸宽顶堰堰型,采用的堰型泄量大,有利于水库泄洪。
  4)经计算复核,在设计洪水和校核洪水工况下,溢洪道泄流能力能满足水库防洪运用要求;沿线各段边墙顶高程均高于计算水面线,泄洪时不致出现水流漫过墙顶的情况,下游出口采用消力池消能,消能工体型、尺寸是合适的。
  5)根据设计计算结果,在正常工况和特殊工况(考虑Ⅷ度地震)下,溢洪道控制段抗滑稳定安全系数计数值大于规范规定的最小值,基底应力均为正值,最大基底应力小于地基允许承载力,满足抗滑稳定和地基承载力要求,结构实际配筋合理。
  综上所述溢洪道的泄流、消能满足工程的运行要求,体型结构合理,可满足工程运行要求。
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