中洲水库溢洪道水力设计

中洲水库溢洪道水力设计

1设计规模、水质中洲水库位于江西省杨江水系，库以上耕地面积为3.7公里。水库始建于1964年12月,1965年6月竣工,是一座以灌溉为主,结合防洪、养殖等综合利用的小(一)型水库。水库枢纽工程由大坝、开敞式溢洪道、灌溉放水系统、渠系等组成(详见图1)。大坝为均质土坝,根据《水利水电工程等级划分及防洪标准》(SL252-2000)确定本工程永久性主要建筑物为4级,永久性次要建筑物为5级,大坝设计洪水标准采用30年一遇,校核洪水标准为300年一遇;溢洪道消能防冲建筑物设计采用20年一遇洪水。水库校核洪水位为118.00m,相应最大下泄流量55.25m3/s;设计洪水位为117.70m,相应最大下泄流量35.10m3/s;正常蓄水位为116.85m,死水位101.55m。2008年对中洲水库大坝、溢洪道进行除险加固设计。2009年对工程进行除险加固。大坝加固设计坝顶高程119.35m,最大坝高21.00m,坝顶长97.00m,坝顶宽5.00m。溢洪道位于大坝左岸,为开敞式溢洪道,堰顶进口高程116.85m。本次加固设计方案:将原堰体和底板边墙拆除重建,增设泄槽和消力池、出水渠道。溢洪道全长58.75m,底板采用C20钢筋砼衬砌,边墙采用C15重力式挡土墙衬砌。2渗流造成坝体内部边坡抗倾覆性由于水库年久失修,溢洪道堰体浆砌石、面层砼质量差,面层砼开裂,局部脱落出现孔洞;堰基岩体为强风化长石石英砂岩,具中等~强透水性,存在严重的堰基渗漏问题,且衬砌砼底板大面积剥蚀、隆起、开裂、松动,任其发展,将失去衬砌保护的功能,影响溢洪道泄洪能力;溢洪道左侧边坡陡峭近于直立,坡面岩体风化破碎,见有坍塌掉块;溢洪道边墙抗倾覆性不满足规范要求。溢洪道无消力池,无出水渠;归河问题未解决,一旦泄洪,将冲毁农田,甚至危及大坝的安全。2007年,经江西省吉安市水务局组织专家鉴定,中洲水库大坝属于三类坝,必须对其进行除险加固。本文仅讨论该工程溢洪道的除险加固。3溢流道除险加固设计3.1洪水调节计算中洲水库所在流域无实测流量资料,也无出、入库流量观测资料,属无水文资料地区,同时在本流域附近也没有合适水文站资料可以移用。因此,本次中洲水库除险加固设计洪水,采用《江西省暴雨洪水查算手册》中推荐的方法,根据设计暴雨推求,集水面积小于30km2的流域一般采用推理公式法推求设计洪水。洪水调节计算采用辅助曲线法(半图解法),求得各频率下洪水调节计算成果,见表1。经调洪计算,由此求得中洲水库P=3.33%的设计洪水位为117.70m,相应库容151万m3,P=0.33%的校核洪水位为118.00m,水库总库容为157万m3。3.2纵坡2/4泄流能力溢洪道进口为三圆弧实用堰,弧长23.00m,堰体10m后接一矩形薄壁堰,堰宽11.00m,堰后接长6.00m,纵坡1/4,进口宽11.00m,出口宽7.00m的一级泄槽;其后接长46m的二级泄槽,纵坡1/70,出口宽5.5m。其泄流能力按实用堰流理论计算:式中:Q—流量,m3/s;m—流量系数(取m=0.44,根据江西省水利科学研究院王仕筠高级工程师在1987年通过水工模型试验数据);B—溢流宽度(取B=23m);求出库水位与下泄流量的关系,其结果见表2。3.3增强设计3.3.1主要计算模型由于原溢洪道进口为三圆弧实用堰,根据因地制宜的原则,溢洪道平面布置维持原布置格局不变。经方案比较,溢洪道进口采用三圆弧实用堰,堰面形状采用WES曲线,后接1∶0.7的直线段,后接反弧段,详见图2。堰体进口宽为23.00m,圆弧半径分别为R1=4.83,R2=13.41,夹角α1=80°、α2=34.75°,具体见图2。WES堰曲线方程为x1.5=2y,上游面采用椭圆曲线,曲线方程为x2/0.32+(0.17-y)2/0.172=1。溢流堰堰顶高程为116.85m,堰基高程为114.40m,反弧半径为0.50m,反弧段最低点高程为115.20m。溢流堰底宽2.50m、高2.45m。堰体采用C25钢筋砼,设置两条伸缩缝,缝内采用止水铜片止水。堰后接10.50m长平坡过渡段,出口宽11.00m。底板采用0.2m厚C20钢筋砼衬砌。边墙采用C15砼重力式挡土墙衬砌。进口堰两端设C15砼截水墙,以免水流沿土坝与边墙,岸坡与边墙之间渗漏。截水墙宽0.50m,深2.00m;边墙挡土墙高3.30m,底板厚0.50m,顶宽0.30m,底宽1.30m。3.3.2边墙及边坡计算(1)校核洪水位时水面线计算。根据《溢洪道设计规范》(SL253-2000),溢洪道泄槽水面线根据能量方程,用分段求和法计算,以断面0+000为起始断面,根据己知的流量和水深h1,假设相邻断面0+006的水深h2,依据能量方程△L=△ES/(i-J),求得第Ⅰ流段的长度△L1,以断面0+006处的水深作为第Ⅱ流段的长度△L2,逐段计算,即可推求明渠段、泄槽段的水面线。再考虑掺气影响及安全超高,可算出需要的边墙高度。计算结果见表3。(2)边墙高度计算。主要断面边墙高度计算见表4。其中,掺气水深计算按下式计算:式中:h、hb—泄槽计算断面的水深、掺气后的水深,m;v—不掺气时计算断面的流速,m/s;ζ—修正系数,取1.1。计算结果见表4。(3)边坡处理设计。溢洪道左侧边坡近于直立,坡面岩体风化破碎,见有坍塌掉块。且未衬护,易塌方,影响泄洪安全。现对溢洪道左侧边坡进行削坡处理,将边墙以上溢洪道边坡削至1∶0.75,见图3。边墙采用C15砼重力式挡土墙衬砌,如图4、图5所示。3.3.3设计条件及设计流量本工程溢洪道为底流消能,消力池为等宽矩形断面,根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000),消能防冲建筑物设计标准为20年一遇,设计流量为28.0m3/s。新建消力池采用C20钢筋砼结构,池净宽5.50m,依据《水闸设计规范》(SL265-2001)进行计算,消力池的池深为20.00m,池长为20.00m。3.3.4挡土墙、墙体的布置本工程出水渠分两段,均为陡坡矩形渠道,底宽为5.50m。第一段长为15.00m,进口高程103.70m,出口高程102.0m,纵坡为1/9;第二段长为28m,进口高程102.00m,出口高程100.00m,纵坡为1/14,底板采用厚0.15mC15钢筋砼衬砌。边墙采用重力式挡土墙,墙高2.00m,底板C15砼厚0.30m、宽1.50m,顶宽0.50m,采用0.10m的C15砼压顶,衬砌长73.00m。挡土墙墙身设Φ50排水孔,间距为5.00m。后直接接原河床。4溢洪道平面布置溢洪道除险加固设计对整个水库除险加固来说非常重要,其设计应因地制宜,兼顾投资。中洲水库原溢洪道进口为三圆弧实用堰,根据因地制宜的原则,溢洪道平面布置维持原布置格局不变。我们在溢洪道除险