【《某水库土石坝溢洪道除险加固设计计算过程分析案例》4800字】

某水库土石坝溢洪道除险加固设计计算过程分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u1980某水库土石坝溢洪道除险加固设计计算过程案例 1151901.1溢洪道概况 1228351.2溢洪道存在的问题 1288151.3溢洪道设计标准 2181321.4溢洪道加固措施 2249351.5溢洪道泄流能力复核 387601.6泄槽陡坡段水面曲线计算 5133391.6.1计算条件 5121901.6.2临界水深计算 5243141.6.3正常水深h0计算 527951.6.4泄槽陡坡段水面线计算 6148441.6.5陡坡段挡墙高度 7126171.7消能工复核 798131.7.1消能工参数选取 7156251.7.2计算公式及结果 8172311.8挡墙稳定计算 1234651.8.1计算简图 1290001.8.2计算参数 13溢洪道概况什在溢洪道位于大坝左侧相邻的山坡上，为宽顶堰，采用底流消能。根据1/500地形图量测，全长约125m：引水段，长约90m，宽8~9m不等，两侧边坡较陡（近于1:1）不稳定，底板和两侧边坡未作衬砌；堰顶控制段，宽顶堰长4.03m，宽20.3m，；溢洪道的建筑物级别为4级，设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇，消能防冲按20年一遇洪水标准设计。经本次复核水库设计洪峰流量15.93m3/s，校核洪峰流量20.77m3/s；经调洪演算，溢洪道设计洪水泄量3.30m3/s，校核洪水最大泄量5.61m3/s。溢洪道存在的问题根据《鉴定报告》、现场检查和《地质报告》，目前水库溢洪道存在的主要问题有：1）溢洪道进水口处的浆砌石翼墙不能完整地保护两侧坝头，同时浆砌石翼墙的勾缝砂浆经过长期运行，存在着老化现象，并且已经有部分脱落下来了，需重建。2）溢洪道泄槽段的浆砌石底板已经有块石、砂浆脱落的现象，其防冲刷能力已经变的很低了，泄槽段右侧墙有处崩塌，同时因为缺乏养护，泄槽段的杂草灌木很多，泄洪效果受到了影响。3）同时堰基需要防渗处理，堰基底板破损严重。4）陡坡段，长约30.9m，宽5m,两侧挡墙和溢流面破损严重，下游无消力池。因此，应根据原设计要求翻修或新建。溢洪道设计标准依据现行的GB50201-2014《防洪标准》和现行的SL252-2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》的条文规定，同时考虑水库所处地区的地形地貌，什在水库是一个Ⅳ等小（1）型水利枢纽工程，主要建筑物级别为4级，次要建筑物为5级。因此溢洪道泄洪能力设计标准应当采用的标准与大坝的标准相同，即按30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。同时又根据SL252-2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》和SL253-2018《溢洪道设计规范》的相关规定，地处山区、丘陵区的水利水电工程永久性泄水建筑物消能防冲设计的洪水标准，可根据情况低于建筑物的洪水标准。什在水库溢洪道建筑物级别为4级，根据规范规定，那曲水库溢洪道消能防冲建筑物的设计洪水标准按20年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。溢洪道加固措施鉴于该水库溢洪道存在较多的缺陷，现做如下除险加固设计：仍然为开敞式宽顶堰，采用底流消能；堰顶净宽5m，全长约151.3m。其中：引水段96.95m，进口段9.24m，堰顶控制段4.05m，陡坡段30.9m，消力池段长5.14m，下游新增长5m、呈半圆形的海漫，采用500mm厚的干砌石衬砌底板。1）引水渠段：平面布置前段进口呈喇叭口形，后段呈直线型，长度为96.95m。两侧边坡面按1：1.5削坡，底板衬砌300mm厚浆砌石（底板高程为144.5m），两边护坡采用浆砌石衬砌（坡比为1:1.5，厚度从下至上为850mm～300mm，护坡顶高程为145.6m）。2）新建两侧挡墙，底板采用浆砌石衬砌，厚度为300mm；渠底宽度由9.6m收缩为5m。3）堰顶控制段：平面布置呈直线形，长度4.05m，堰顶净宽为5m。拟拆除原挡墙,新建两侧挡墙，挡墙顶宽500mm，墙顶高程为146m；重新修建堰基钢筋砼底板，并在堰顶前沿新修一截渗齿槽。4）陡槽段：平面布置呈直线形，长度30.9m。由于侧墙破损严重，因此拆除原挡墙，新建两侧挡墙。拟建挡墙顶宽500mm，顶高程为146～138.2m；底板新衬砌300mm厚的钢筋砼。消能段：仍采用底流消能。按20年一遇设计洪水计算时，修建5.14m长钢筋砼消力池。在下游修建长度为5m的海漫，采用500mm厚干砌石砌筑。溢洪道泄流能力复核根据SL253-2018《溢洪道设计规范》知，根据下式进行本工程的无控制开敞式宽顶堰溢洪道的泄流能力的计算：

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

式中：Q——泄流流量，m3/s；B——控制段宽顶堰总净宽，5m；H0——将行进流速水头计算进去的堰上总水头，m；m——控制段宽顶堰的流量系数，与相对上游堰高P1/H（H为不计入行进流速的堰上水头，m）和堰头形式有关，根据溢洪道设计规范附录取值；ε——闸墩侧收缩系数，1。加固后溢洪道水位与泄流能力的关系如下表所示。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s11： 那曲水库溢洪道水位—泄流量关系表水位Z（m）堰上水头H（m）流量系数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图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s11：什在水库水位—泄流量关系图表STYLEREF1\s32：什在溢洪道水位流量对照表水位m144.6144.7144.8144.9145.0145.04145.3145.4145.5流量m3/s0.270.761.402.163.013.426.507.288.52根据上面的计算，溢洪道防洪标准为20年一遇洪水设计，设计洪水最大泄量为3.3m3/s，校核洪水最大泄量为5.61m3/s。泄槽陡坡段水面曲线计算计算条件泄槽陡坡底坡为0.17，底宽10m。上游接新建的混凝土宽顶堰，以泄槽首端断面处的水深h1为控制水深向下游推求水面线，控制工况按校核工况，下泄流量为5.61m3/s；根据工程经验我们可以知道，当泄槽陡坡段上游接宽顶堰时，水深h1为临界水深hk。临界水深计算泄槽段陡坡底坡为0.17，底宽10m。临界水深hk及临界坡比ik按下式计算：

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

ik=gχkBkCk2 （STYLEREF1\s3SEQ式\*ARABIC\s13）g——重力加速度，9.81m/s2；χk——湿周，χCk——舍齐系数，Ck=1nRkBk计算结果如下表所示。表STYLEREF1\s33： 临界水深及临界坡比计算表Q（m3/s）B（m）hkAk（m2χkRknCi5.61100.333.310.260.310.01748.400.0043正常水深h0计算计算公式：Q=b+mhh153i0.5n1+表STYLEREF1\s34： 正常水深计算成果表Q（m3B（m）h0mii((b+mh)h)2h(1+5.61100.1100.170.4121.10.47根据计算结果知，校核工况下流量5.61m3/s，泄槽陡坡段对应的正常水深为0.11m。泄槽陡坡段水面线计算泄槽陡坡段上游接宽顶堰。以泄槽首端断面处的水深h1为控制水深向下游推求水面线，控制工况按校核工况。当泄槽上游接宽顶堰的时候，水深h1就是泄槽首端处的断面的水深，它的大小等于临界水深h水面线的计算首先需要判断水流的流态，因为hk大于h根据SL253-2018《溢洪道设计规范》知，泄槽陡坡段水面线计算应依据能量方程，采用分段求和的方法进行计算。计算泄槽水面线的计算公式如下：

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——每个计算分段始末断面水深，m；v1、v2——每个计算分段始末断面平均流速，m/s；α1、α2——每个计算分段始末断面流速分布不均匀系数，取1.05；θ——陡坡的底部坡脚，(°)；i——i=sinθ；J——分段的平均摩阻坡降；n——泄槽内槽身糙率系数；v、R——每个计算分段平均流速及平均水力半径，m。水面线计算结果如下表所示。表STYLEREF1\s35： 什在水库泄槽水面线分段求和法成果表由于泄槽陡坡段全断面的水流流速大部分小于7～8m/s，所以不考虑掺气对水深的影响。表STYLEREF1\s36： 不考虑掺气后的水面线各断面水深位置进口段堰顶段陡坡5m处陡坡末段校核洪水水深0.33m0.33m0.08m0.096m陡坡段挡墙高度根据规范的要求，挡墙的高度等于校核水位水面线+安全超高，本次设计的安全加高为0.5m。泄槽陡坡段挡墙顶高程的计算结果见下表。表STYLEREF1\s37： 泄槽陡坡段墙顶高程计算成果表位置进口段堰顶段陡坡5m处陡坡末段校核洪水水深0.33m0.33m0.08m0.096m侧墙高0.8m1.0m0.6m0.6m消能工复核消能工参数选取计算图纸图STYLEREF1\s32：消能工计算简图新建消力池与泄槽陡坡段末端相连。校核工况下溢洪道下泄流量为5.61m3/s，水库水位为145.26m。计算参数根据消力池布置（按30年洪水位计算）[基本参数]消能工类型:下挖式消力池上游底部高程:144.500(m)下游底部高程:136.600(m)消力池首端宽度:5.000(m)水流的动能校正系数:1.000水流的动能校正系数:1.000泄水建筑物下游收缩断面处流速系数:0.950消力池出流流速系数:0.950水跃淹没系数:1.050是否计算消力池前段长度:计算消力池前端型式:斜坡式宽顶堰的流速系数:0.950宽顶堰的流量系数:0.950宽顶堰的堰顶高程:144.500(m)自由水跃跃长计算系数:6.900水跃长度校正系数:0.750计算公式及结果1、判断是否需要建消能工。（1）流速水头公式：，v=q/t（STYLEREF1\s39）其中：q单宽流量(m2（2）计算收缩断面水深公式：（STYLEREF1\s310）其中：hc收缩断面水深(m)，T0消力池底部以上的总水头(m)，φ流速系数。（3）计算跃后水深公式(矩形断面扩散渠槽自由水跃)：hc'=hc/2（STYLEREF1\s311）其中：hc'跃后水深(m)，b1消力池首端宽度(m)，b判断水跃型式的条件：hc'＞ht，远离式水跃hc'=ht，临界水跃hc'＜ht，淹没式水跃其中：ht下游水深(m)。若发生远离式水跃，则需要修建消能工，否则不需要。表STYLEREF1\s38： 跃后水深计算结果序号单宽流量上游总水头收缩断面水深跃后水深下游水深水跃型式水跃形式10.6240.0688.5080.0511.2231.200远离水跃（4）坎高计算公式：（STYLEREF1\s312）式中:φ为坎后水流收缩断面流速系数（5）池深计算公式：（使池内形成稍有淹没的水跃）。（STYLEREF1\s313）式中：σ水跃淹没系数（又称安全系数），c坎高，S池深；=（STYLEREF1\s314）表STYLEREF1\s39： 池深计算结果序号单宽流量总水头收缩断面水深跃后水深出口断面落差消力池池深10.6248.5920.0511.2260.0030.084消力池深度为：0.084(m)。（6）池长计算公式：自由水跃跃长Lj计算公式：L=Ls+（STYLEREF1\s315）Lj=6.9×hc'−hc（STYLEREF1\s316）计算消能工前段长度Ls公式：（STYLEREF1\s317）（STYLEREF1\s318）式中:φ为流速系数，H0为堰顶以上水头（m），P为从池底算起的堰高（m），m为过堰流量系数。表STYLEREF1\s310： 池长计算结果序号自由水跃跃长水跃前消能工长度消能工总长度18.1092.0378.119计算得消能工长度为：8.119(m)。（7）消力池底板厚度计算公式:满足抗冲要求的底板厚度t：（STYLEREF1\s319）满足抗浮要求的底板厚度t：t=k2×U−W±Pm/（STYLEREF1\s式中:k1为底板计算系数，ΔH为上下游水位差m。k2为底板安全系数；U为作用在底板面的扬压力kPa；W为作用在底板上的水重kPa；Pm为作用在底板上的脉动压力kPa，计算底板前半部时取"+"号，计算底板后半部时取"-"号；γb为底板的饱和重度kN/m3。表STYLEREF1\s311： 消力池底板厚度计算结果序号扬压力水重脉动压力抗冲厚度首端抗浮厚度11.0006.2638.7250.2590.180经计算得所需消力池底板首端最大厚度为：0.259(m)、末端厚度一般取首端厚度的一半为：0.130(m)。（8）海漫计算公式：海漫长度L计算公式：L=Ks（STYLEREF1\s321）式中:Ks为海漫长度计算系数，qs为消力池末端单宽流量（m2/s），ΔH为上下游水位（m）。公式的适用条件是：海漫末端的河床冲刷深度dm计算公式：公式的适用条件是：：=1~9。（STYLEREF1\s322）海漫末端的河床冲刷深度dm计算公式：dm=1.1（STYLEREF1\s323）式中:qm为海漫末端单宽流量（m2/s），v0为河床土质允许不冲流速（m/s）表STYLEREF1\s312： 海漫计算结果序号上下游水位差海漫长度海漫末端河床冲刷深度17.24012.9580.000计算得海漫长度为：12.958(m)。海漫末端水流不会对河床造成冲刷。表STYLEREF1\s313： 消能工参数计算成果表 单位：m坎高池深池长底板厚海漫长0.5m0.5m（平底）5.14m0.5m5m挡墙稳定计算本次出现除险加固溢洪道两岸的挡墙采用M7.5浆砌石重力式挡土墙，最大的墙高为2m，参数如下。本次的计算工况：挡墙的稳定计算的计算工况，我们按照应当对挡墙的最不利情况计算