某水庫土石壩溢洪道除險加固設(shè)計計算過程分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1980某水庫土石壩溢洪道除險加固設(shè)計計算過程案例 1151901.1溢洪道概況 1228351.2溢洪道存在的問題 1288151.3溢洪道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 2181321.4溢洪道加固措施 2249351.5溢洪道泄流能力復(fù)核 387601.6泄槽陡坡段水面曲線計算 5133391.6.1計算條件 5121901.6.2臨界水深計算 5243141.6.3正常水深h0計算 527951.6.4泄槽陡坡段水面線計算 6148441.6.5陡坡段擋墻高度 7126171.7消能工復(fù)核 798131.7.1消能工參數(shù)選取 7156251.7.2計算公式及結(jié)果 8172311.8擋墻穩(wěn)定計算 1234651.8.1計算簡圖 1290001.8.2計算參數(shù) 13溢洪道概況什在溢洪道位于大壩左側(cè)相鄰的山坡上，為寬頂堰，采用底流消能。根據(jù)1/500地形圖量測，全長約125m：引水段，長約90m，寬8~9m不等，兩側(cè)邊坡較陡（近于1:1）不穩(wěn)定，底板和兩側(cè)邊坡未作襯砌；堰頂控制段，寬頂堰長4.03m，寬20.3m，；溢洪道的建筑物級別為4級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，消能防沖按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。經(jīng)本次復(fù)核水庫設(shè)計洪峰流量15.93m3/s，校核洪峰流量20.77m3/s；經(jīng)調(diào)洪演算，溢洪道設(shè)計洪水泄量3.30m3/s，校核洪水最大泄量5.61m3/s。溢洪道存在的問題根據(jù)《鑒定報告》、現(xiàn)場檢查和《地質(zhì)報告》，目前水庫溢洪道存在的主要問題有：1）溢洪道進(jìn)水口處的漿砌石翼墻不能完整地保護(hù)兩側(cè)壩頭，同時漿砌石翼墻的勾縫砂漿經(jīng)過長期運(yùn)行，存在著老化現(xiàn)象，并且已經(jīng)有部分脫落下來了，需重建。2）溢洪道泄槽段的漿砌石底板已經(jīng)有塊石、砂漿脫落的現(xiàn)象，其防沖刷能力已經(jīng)變的很低了，泄槽段右側(cè)墻有處崩塌，同時因?yàn)槿狈︷B(yǎng)護(hù)，泄槽段的雜草灌木很多，泄洪效果受到了影響。3）同時堰基需要防滲處理，堰基底板破損嚴(yán)重。4）陡坡段，長約30.9m，寬5m,兩側(cè)擋墻和溢流面破損嚴(yán)重，下游無消力池。因此，應(yīng)根據(jù)原設(shè)計要求翻修或新建。溢洪道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)現(xiàn)行的GB50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和現(xiàn)行的SL252-2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的條文規(guī)定，同時考慮水庫所處地區(qū)的地形地貌，什在水庫是一個Ⅳ等?。?）型水利樞紐工程，主要建筑物級別為4級，次要建筑物為5級。因此溢洪道泄洪能力設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)采用的標(biāo)準(zhǔn)與大壩的標(biāo)準(zhǔn)相同，即按30年一遇洪水設(shè)計，300年一遇洪水校核。同時又根據(jù)SL252-2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》和SL253-2018《溢洪道設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，地處山區(qū)、丘陵區(qū)的水利水電工程永久性泄水建筑物消能防沖設(shè)計的洪水標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)情況低于建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)。什在水庫溢洪道建筑物級別為4級，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，那曲水庫溢洪道消能防沖建筑物的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計，200年一遇洪水校核。溢洪道加固措施鑒于該水庫溢洪道存在較多的缺陷，現(xiàn)做如下除險加固設(shè)計：仍然為開敞式寬頂堰，采用底流消能；堰頂凈寬5m，全長約151.3m。其中：引水段96.95m，進(jìn)口段9.24m，堰頂控制段4.05m，陡坡段30.9m，消力池段長5.14m，下游新增長5m、呈半圓形的海漫，采用500mm厚的干砌石襯砌底板。1）引水渠段：平面布置前段進(jìn)口呈喇叭口形，后段呈直線型，長度為96.95m。兩側(cè)邊坡面按1：1.5削坡，底板襯砌300mm厚漿砌石（底板高程為144.5m），兩邊護(hù)坡采用漿砌石襯砌（坡比為1:1.5，厚度從下至上為850mm～300mm，護(hù)坡頂高程為145.6m）。2）新建兩側(cè)擋墻，底板采用漿砌石襯砌，厚度為300mm；渠底寬度由9.6m收縮為5m。3）堰頂控制段：平面布置呈直線形，長度4.05m，堰頂凈寬為5m。擬拆除原擋墻,新建兩側(cè)擋墻，擋墻頂寬500mm，墻頂高程為146m；重新修建堰基鋼筋砼底板，并在堰頂前沿新修一截滲齒槽。4）陡槽段：平面布置呈直線形，長度30.9m。由于側(cè)墻破損嚴(yán)重，因此拆除原擋墻，新建兩側(cè)擋墻。擬建擋墻頂寬500mm，頂高程為146～138.2m；底板新襯砌300mm厚的鋼筋砼。消能段：仍采用底流消能。按20年一遇設(shè)計洪水計算時，修建5.14m長鋼筋砼消力池。在下游修建長度為5m的海漫，采用500mm厚干砌石砌筑。溢洪道泄流能力復(fù)核根據(jù)SL253-2018《溢洪道設(shè)計規(guī)范》知，根據(jù)下式進(jìn)行本工程的無控制開敞式寬頂堰溢洪道的泄流能力的計算：

Q=mεB2gH03/2 （STYLEREF1\s3SEQ式\*ARABIC\s11）

式中：Q——泄流流量，m3/s；B——控制段寬頂堰總凈寬，5m；H0——將行進(jìn)流速水頭計算進(jìn)去的堰上總水頭，m；m——控制段寬頂堰的流量系數(shù)，與相對上游堰高P1/H（H為不計入行進(jìn)流速的堰上水頭，m）和堰頭形式有關(guān)，根據(jù)溢洪道設(shè)計規(guī)范附錄取值；ε——閘墩側(cè)收縮系數(shù)，1。加固后溢洪道水位與泄流能力的關(guān)系如下表所示。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s11： 那曲水庫溢洪道水位—泄流量關(guān)系表水位Z（m）堰上水頭H（m）流量系數(shù)m泄流量Q（m3/s）144.500.000144.60.10.269144.70.20.762144.80.31.400144.90.42.156145.00.53.013145.10.63.961145.20.74.991145.30.86.098圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11：什在水庫水位—泄流量關(guān)系圖表STYLEREF1\s32：什在溢洪道水位流量對照表水位m144.6144.7144.8144.9145.0145.04145.3145.4145.5流量m3/s0.270.761.402.163.013.426.507.288.52根據(jù)上面的計算，溢洪道防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水設(shè)計，設(shè)計洪水最大泄量為3.3m3/s，校核洪水最大泄量為5.61m3/s。泄槽陡坡段水面曲線計算計算條件泄槽陡坡底坡為0.17，底寬10m。上游接新建的混凝土寬頂堰，以泄槽首端斷面處的水深h1為控制水深向下游推求水面線，控制工況按校核工況，下泄流量為5.61m3/s；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)我們可以知道，當(dāng)泄槽陡坡段上游接寬頂堰時，水深h1為臨界水深hk。臨界水深計算泄槽段陡坡底坡為0.17，底寬10m。臨界水深hk及臨界坡比ik按下式計算：

hk=3q2g （STYLEREF1\s3SEQ式\*ARABIC\s12）

ik=gχkBkCk2 （STYLEREF1\s3SEQ式\*ARABIC\s13）g——重力加速度，9.81m/s2；χk——濕周，χCk——舍齊系數(shù)，Ck=1nRkBk計算結(jié)果如下表所示。表STYLEREF1\s33： 臨界水深及臨界坡比計算表Q（m3/s）B（m）hkAk（m2χkRknCi5.61100.333.310.260.310.01748.400.0043正常水深h0計算計算公式：Q=b+mhh153i0.5n1+表STYLEREF1\s34： 正常水深計算成果表Q（m3B（m）h0mii((b+mh)h)2h(1+5.61100.1100.170.4121.10.47根據(jù)計算結(jié)果知，校核工況下流量5.61m3/s，泄槽陡坡段對應(yīng)的正常水深為0.11m。泄槽陡坡段水面線計算泄槽陡坡段上游接寬頂堰。以泄槽首端斷面處的水深h1為控制水深向下游推求水面線，控制工況按校核工況。當(dāng)泄槽上游接寬頂堰的時候，水深h1就是泄槽首端處的斷面的水深，它的大小等于臨界水深h水面線的計算首先需要判斷水流的流態(tài)，因?yàn)閔k大于h根據(jù)SL253-2018《溢洪道設(shè)計規(guī)范》知，泄槽陡坡段水面線計算應(yīng)依據(jù)能量方程，采用分段求和的方法進(jìn)行計算。計算泄槽水面線的計算公式如下：

Δl1-2=（h2cosθ+α2v222g）?（h1cosθ+α1v122g）i-J_ （STYLEREF1\s3SEQ式\*ARABIC\s15）

J=n2v2R4/3 （STYLEREF1\s3SEQ式\*ARABIC\s16）

v=(v1+v2)/2 （STYLEREF1\sh1、h2——每個計算分段始末斷面水深，m；v1、v2——每個計算分段始末斷面平均流速，m/s；α1、α2——每個計算分段始末斷面流速分布不均勻系數(shù)，取1.05；θ——陡坡的底部坡腳，(°)；i——i=sinθ；J——分段的平均摩阻坡降；n——泄槽內(nèi)槽身糙率系數(shù)；v、R——每個計算分段平均流速及平均水力半徑，m。水面線計算結(jié)果如下表所示。表STYLEREF1\s35： 什在水庫泄槽水面線分段求和法成果表由于泄槽陡坡段全斷面的水流流速大部分小于7～8m/s，所以不考慮摻氣對水深的影響。表STYLEREF1\s36： 不考慮摻氣后的水面線各斷面水深位置進(jìn)口段堰頂段陡坡5m處陡坡末段校核洪水水深0.33m0.33m0.08m0.096m陡坡段擋墻高度根據(jù)規(guī)范的要求，擋墻的高度等于校核水位水面線+安全超高，本次設(shè)計的安全加高為0.5m。泄槽陡坡段擋墻頂高程的計算結(jié)果見下表。表STYLEREF1\s37： 泄槽陡坡段墻頂高程計算成果表位置進(jìn)口段堰頂段陡坡5m處陡坡末段校核洪水水深0.33m0.33m0.08m0.096m側(cè)墻高0.8m1.0m0.6m0.6m消能工復(fù)核消能工參數(shù)選取計算圖紙圖STYLEREF1\s32：消能工計算簡圖新建消力池與泄槽陡坡段末端相連。校核工況下溢洪道下泄流量為5.61m3/s，水庫水位為145.26m。計算參數(shù)根據(jù)消力池布置（按30年洪水位計算）[基本參數(shù)]消能工類型:下挖式消力池上游底部高程:144.500(m)下游底部高程:136.600(m)消力池首端寬度:5.000(m)水流的動能校正系數(shù):1.000水流的動能校正系數(shù):1.000泄水建筑物下游收縮斷面處流速系數(shù):0.950消力池出流流速系數(shù):0.950水躍淹沒系數(shù):1.050是否計算消力池前段長度:計算消力池前端型式:斜坡式寬頂堰的流速系數(shù):0.950寬頂堰的流量系數(shù):0.950寬頂堰的堰頂高程:144.500(m)自由水躍躍長計算系數(shù):6.900水躍長度校正系數(shù):0.750計算公式及結(jié)果1、判斷是否需要建消能工。（1）流速水頭公式：，v=q/t（STYLEREF1\s39）其中：q單寬流量(m2（2）計算收縮斷面水深公式：（STYLEREF1\s310）其中：hc收縮斷面水深(m)，T0消力池底部以上的總水頭(m)，φ流速系數(shù)。（3）計算躍后水深公式(矩形斷面擴(kuò)散渠槽自由水躍)：hc'=hc/2（STYLEREF1\s311）其中：hc'躍后水深(m)，b1消力池首端寬度(m)，b判斷水躍型式的條件：hc'＞ht，遠(yuǎn)離式水躍hc'=ht，臨界水躍hc'＜ht，淹沒式水躍其中：ht下游水深(m)。若發(fā)生遠(yuǎn)離式水躍，則需要修建消能工，否則不需要。表STYLEREF1\s38： 躍后水深計算結(jié)果序號單寬流量上游總水頭收縮斷面水深躍后水深下游水深水躍型式水躍形式10.6240.0688.5080.0511.2231.200遠(yuǎn)離水躍（4）坎高計算公式：（STYLEREF1\s312）式中:φ為坎后水流收縮斷面流速系數(shù)（5）池深計算公式：（使池內(nèi)形成稍有淹沒的水躍）。（STYLEREF1\s313）式中：σ水躍淹沒系數(shù)（又稱安全系數(shù)），c坎高，S池深；=（STYLEREF1\s314）表STYLEREF1\s39： 池深計算結(jié)果序號單寬流量總水頭收縮斷面水深躍后水深出口斷面落差消力池池深10.6248.5920.0511.2260.0030.084消力池深度為：0.084(m)。（6）池長計算公式：自由水躍躍長Lj計算公式：L=Ls+（STYLEREF1\s315）Lj=6.9×hc'?hc（STYLEREF1\s316）計算消能工前段長度Ls公式：（STYLEREF1\s317）（STYLEREF1\s318）式中:φ為流速系數(shù)，H0為堰頂以上水頭（m），P為從池底算起的堰高（m），m為過堰流量系數(shù)。表STYLEREF1\s310： 池長計算結(jié)果序號自由水躍躍長水躍前消能工長度消能工總長度18.1092.0378.119計算得消能工長度為：8.119(m)。（7）消力池底板厚度計算公式:滿足抗沖要求的底板厚度t：（STYLEREF1\s319）滿足抗浮要求的底板厚度t：t=k2×U?W±Pm/（STYLEREF1\s式中:k1為底板計算系數(shù)，ΔH為上下游水位差m。k2為底板安全系數(shù)；U為作用在底板面的揚(yáng)壓力kPa；W為作用在底板上的水重kPa；Pm為作用在底板上的脈動壓力kPa，計算底板前半部時取"+"號，計算底板后半部時取"-"號；γb為底板的飽和重度kN/m3。表STYLEREF1\s311： 消力池底板厚度計算結(jié)果序號揚(yáng)壓力水重脈動壓力抗沖厚度首端抗浮厚度11.0006.2638.7250.2590.180經(jīng)計算得所需消力池底板首端最大厚度為：0.259(m)、末端厚度一般取首端厚度的一半為：0.130(m)。（8）海漫計算公式：海漫長度L計算公式：L=Ks（STYLEREF1\s321）式中:Ks為海漫長度計算系數(shù)，qs為消力池末端單寬流量（m2/s），ΔH為上下游水位（m）。公式的適用條件是：海漫末端的河床沖刷深度dm計算公式：公式的適用條件是：：=1~9。（STYLEREF1\s322）海漫末端的河床沖刷深度dm計算公式：dm=1.1（STYLEREF1\s323）式中:qm為海漫末端單寬流量（m2/s），v0為河床土質(zhì)允許不沖流速（m/s）表STYLEREF1\s312： 海漫計算結(jié)果序號上下游水位差海漫長度海漫末端河床沖刷深度17.24012.9580.000計算得海漫長度為：12.958(m)。海漫末端水流不會對河床造成沖刷。表STYLEREF1\s313： 消能工參數(shù)計算成果表 單位：m坎高池深池長底板厚海漫長0.5m0.5m（平底）5.14m0.5m5m擋墻穩(wěn)定計算本次出現(xiàn)除險加固溢洪道兩岸的擋墻采用M7.5漿砌石重力式擋土墻，最大的墻高為2m，參數(shù)如下。本次的計算工況：擋墻的穩(wěn)定計算的計算工況，我們按照應(yīng)當(dāng)對擋墻的最不利情況計算