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水利设计报告:溢洪道加固设计

2019
03/19
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fenghaizhou

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土木工程网
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【摘要】水利工程发挥着除险加固利国利民的重要作用,所以水利工程建设项目施工的整体设计质量就成为了一项重要课题。

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5.3.1 溢洪道的现状及存在问题

某水库的溢洪道为侧槽式溢洪道,位于大坝的左侧,总长度280 m,由溢流堰、侧槽、渐变段、泄槽、挑流消能工等部分组成。溢流堰呈L型布置,为克—奥型非真空实用堰,堰顶高程282.5 m,其中侧堰长70 m,端堰长5 m。侧槽的起始底宽为5m,沿程线性扩大至25m,通过渐变段缩窄为17 m后与泄槽衔接。根据地形条件,泄槽采用变纵坡的陡渠,两级纵坡分别为i=1/30与1/10。挑流鼻坎段长10 m,宽17 m,其反弧曲率半径为19.5m,挑射角25°。各段均为梯形断面,侧墙的边坡系数m=0.25。

该溢洪道在开挖施工的过程中,由于深切方于1977年11月造成左岸山体大规模滑坡,为了就近处理土石方,临时修改了大坝的设计断面。溢洪道于1987年首次溢洪,过水深0.16 m。1988年9月3日当溢洪水深达0.62 m时,挑流水舌直接冲刷左侧下游的山体,再次引起滑坡,下滑的泥石流淤塞河床,导致大坝坝脚长期渍水,威胁水库的安全,且呈逐年加剧之势。目前,溢洪道存在的主要安全隐患如下:

a)溢洪道的基础为元古界板溪群粉砂质、泥质板岩,岩石破碎,节理裂隙发育,堰体及基础长期漏水,且溢洪道的排水系统也已堵塞失效。库水通过渗漏通道直接作用在底板下,使底板在泄洪时承受过高的扬压力,导致底板与基础之间产生接触冲刷,底板以下大面积被掏空,危及溢洪道的安全运行。

b)虽然对左岸滑坡体进行了加固,但由于资金不足,处理不够彻底。目前,两个滑坡体均处于临滑的状态,左岸的滑坡体有蠕


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动的迹象,使溢洪道侧墙开裂,尤其是靠近滑坡体的左侧墙,纵横裂缝已达15条之多。继续发展下去,如果两个滑坡的侧翼相连,有可能诱发更大规模的滑坡。


c)溢洪道鼻坎以下的消能措施不力,滑坡体基脚及护岸挡土墙遭挑流水舌的冲刷,使下游沟谷的水土流失现象加剧,且河床中堆积的岩渣未作任何处理,渍水危及大坝的安全。

5.3.2 加固改造方案比选

5.3.2.1 溢流堰的加固处理方案

为了截断库水的渗漏通道,减少溢洪道底板承受的扬压力,必须对溢流堰的堰体与基础进行处理,可供选择的方案有两个:

方案Ⅰ—翻修堰体结合基础帷幕灌浆;

方案Ⅱ—不翻修堰体,重新浇筑堰面砼,堰体与基础同时进行灌浆,堰后设置排水孔,并与溢洪道底板的排水系统相连。

翻修堰体的难度较大,堰面浇砼并结合灌浆与排水的处理方法比较接近客观情况,故采用方案Ⅱ。

5.3.2.2 侧槽与泄槽的加固处理方案

溢洪道的侧槽、渐变段、泄槽与挑流段,其底板与侧墙的设计标准偏低,施工质量较差,配筋少,厚薄不均匀,底板最薄处仅为5~6cm。在泄洪水流的作用下,表面遭冲蚀,底板被淘空,局部出现冲坑,伸缩缝多数损坏。结合实际情况,拟定加固方案如下:

方案Ⅰ—原底板全部凿除,用M5.0浆砌块石回填淘空部位、重做底板排水系统后,浇筑C20底板砼与侧墙,增加配筋数量,并用锚筋加固底板,伸缩缝采用环氧树脂粘贴橡皮进行止水。其中侧墙厚0.15m,底板厚0.30m。侧墙砼用于防渗,主要是防止泄


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洪水流通过原侧墙的裂缝渗入内坡,影响滑坡体的安全。


方案Ⅱ—保留底板并将表面凿毛,用C20小石砼找平,铺设φ6钢筋网,用SD抗裂砂浆抹面后,再采用高强度丙乳砂浆涂刷护面,底板下进行回填灌浆,伸缩缝用环氧树脂粘贴橡皮进行止水。对于侧墙的裂缝,用环氧砂浆修补涂抹。

方案Ⅱ的造价虽略低于方案Ⅰ,但方案Ⅱ本身存在缺点不容忽视,体现在:a)无法对已经堵塞的底板排水系统进行翻修,溢洪道底板的运行条件改善不够彻底;b)无法摸清底板下被淘空的情况,回填灌浆的质量难以保证,且浆液的消耗数量不确定,预算超支的可能性较大;c)在回填灌浆的过程中,排水系统有可能遭到堵塞,使底板的运行条件更加恶化;d)虽经修补,但建筑物的整体性受到影响,使用寿命将取决于有机复合材料的老化时间。经过比选,拟选用方案Ⅰ。

5.3.2.3 滑坡体的处理方案

左岸与下游滑坡体有两个处理方案,即:a)按常规措施进行处理,如削坡减载、开沟排水、挡土墙、抗滑桩,需要花较多的投资。从现实情况来看,滑坡体已存在二十多年,当年均已采取必要的工程措施,目前滑坡体虽有蠕动的迹象,但尚无其他异常现象,缺乏大规模进行处理的依据。b)加强观测,重新开沟排水,对下游的滑坡体进行必要的抗冲与防渗保护,基本可杜绝滑坡体重新滑动的可能性。显然采用后一方案为佳。

5.3.2.4 下游消能方案

由于资金不足或受其他因素的限制,原溢洪道下游的消能防护存在较大问题,主要反映在:


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a)平面布置上,挑流鼻坎正对下游左岸的山脚,距离较近。受挑射水流的直接冲刷,建库后第二年山体即发生大规模的滑坡。以后修建了护岸挡土墙对滑坡区域进行保护,但未能根本解决问题,上述部位仍继续遭受泄洪水流的直接冲刷。


b)从挑流鼻坎至下游河床的高差达到35m以上,泄洪时由鼻坎转移的挑射水流能量,加上沟谷本身的落差,聚集了约60m左右的动能,在缺乏基本消能防护措施的前提下,直接冲刷沟谷的两岸,水土流失严重。根据统计,溢洪道的下泄流量从未达到设计标准,但仅有的几次溢洪却造成了非常严重的后果,泥石流将滑坡体及沟谷流失的土石方搬移、堆积在下游河床中,连锁反应地引发诸多安全隐患。

为彻底解决下游的消能防冲问题,本次初设提出如下的治理方案:

方案Ⅰ—二道坝方案:该方案对溢洪道只作加固处理而不进行延伸,重点是在护岸挡土墙的末端修建二道坝。通过二道坝形成的水垫塘,对挑射水流进行消能,并将尾水的落差集中,由二道坝的溢流坝段二次挑往河床归槽。二道坝的坝型为砌石重力坝,按四级建筑物设计。最大坝高22.3m,坝顶高程258.3m,坝长70.5m,其中溢流坝段长23m。泄洪时可将水垫塘的水位抬高至258m,基本满足消能防冲的要求,其布置与结构详见《某—初设—水工—06》图与《某—初设—水工—07》图。该方案须对鼻坎段进行改造,使挑射角由25°降到20°,用于减小挑距、缩小滑坡体与护岸挡土墙受冲刷的范围。另外,还要对下游局部受冲刷部位采用砼与钢筋砼进行护砌与防渗。主要缺点是不能完全避免挑射水流对下游滑坡体及护岸挡墙的直接冲刷。


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方案Ⅱ—溢洪道直线延伸方案:将原挑流鼻坎段10m凿掉,从0+270桩号开始,直线延伸泄槽150m,再接80m长的弯道,尾部用扭鼻坎将下泄水流挑入河床。延伸段泄槽宽17m,纵坡采用i=0.1,弯道轴线的曲率半径为100m。方案的布置与结构详见《某—初设—水工—08》图与《某—初设—水工—09》图。该方案的流态最好,但通过滑坡体的一段,须建82m长的砌石拱渡槽,处理难度较大,且工程量大,造价较高。


方案Ⅲ—溢洪道弯道延伸方案:从0+225桩号开始,通过弯道将溢洪道延伸至0+350桩号,末端的挑流鼻坎将水流送入河床归槽,水力条件较好,其布置与结构详见《某—初设—水工—10》图与《某—初设—水工—11》图。该方案需加固处理原溢洪道225m,废弃原溢洪道下半段55m,延伸溢洪道125m。其中,延伸段包括进口过渡段15m、弯道75m、出口过渡段15m、出口泄槽10m及挑流鼻坎段10m。由于受地形条件的限制,延伸段只能布置在半填半挖区域,泄槽采用矩形断面,净宽为16.7m,纵坡i=0.1,弯道轴线的曲率半径选择100m。考虑到泄槽的左侧墙为悬臂板,故整个泄槽设计成钢筋砼结构,其中出口段20m为钢筋砼排架式渡槽。

根据以上对溢洪道各部位加固处理方案的比较,初步确定三个溢洪道整体加固方案,其技术经济指标如下表所示:

某水库溢洪道加固改造方案比较表

加固

部位方案Ⅰ方案Ⅱ方案Ⅲ


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溢流堰堰体、基础灌浆,堰后设置排水孔堰体、基础灌浆,堰后设置排水孔堰面浇砼,堰体、基础灌浆,堰后设置排水孔


侧槽与

泄槽翻修底板、浇底板与侧墙砼、重做排水系统和止水、用锚筋加固底板翻修底板、浇底板与侧墙砼、重做排水系统和止水、用锚筋加固底板翻修底板、浇底板与侧墙砼、重做排水系统和止水、用锚筋加固底板

滑坡

处理开排水沟、滑坡观测,并对下游滑坡体局部用钢筋砼与砼护砌滑坡观测、对左岸与下游滑坡体分别开排水沟滑坡观测、对左岸与下游滑坡体分别开排水沟

下游消

能防冲利用二道坝抬高尾水位至258m并改建鼻坎直线延伸溢洪道至桩号0+350弯道延伸溢洪道至桩号0+500

方案

要点加固溢洪道270m,改建10m,新建砌石坝1座(高22.3m)加固溢洪道270m,改建10m,延伸220m,其中弯道80m加固溢洪道225m,改建15m,延伸110m,其中弯道80m

主要

工程量土石方11674m3,浆砌石7327m3,砼3815m3,钢筋制安62.5t,灌浆1025m土石方94920m3,浆砌石18376m3,砼10368m3,钢筋制安76.8t,灌浆1025m土石方20826m3,浆砌石6801m3,砼3571m3,钢筋制安185.6t,灌浆848m

估算

投资万元万元万元

方案

优点①投资少,基本上可解决下游消能防冲问题;②可分两步实施,先局部加固滑坡体,解决防冲问题,再根据运行情况,确定是否须立即修建二道坝。①水流流态最好,可解决下游消能防冲的问题。②挑射水流远离坝址,不影响大坝的安全。①投资少;②水流流态好,可解决下游消能防冲的问题,也不影响大坝安全。

方案

缺点①二道坝上游的流态差;②无法避免挑射水流对下游滑坡体及护岸挡墙的局部冲刷;③采用钢筋砼板抗冲,措施不是很可靠。①工程量大,造价高;②须建82m长的砌石拱渡槽,且渡槽位于下游滑坡体内,施工难度大;③深切方高达25m~30m以上,存在开挖高边坡稳定问题。①延伸段位于半填半挖区,浆砌石回填的工程量大;②左侧墙为悬臂板,故延伸段须设计成钢筋砼结构,并有20m渡槽,施工难度大;③挑距远,冲坑范围较大。

经比较,推荐采用方案Ⅲ。


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5.3.3 溢洪道水力计算


5.3.3.1 溢洪道控制段泄流能力的复核

溢流堰的堰型为上游面垂直的克—奥型曲线实用堰,堰面坐标如表:

x00.10.20.30.40.50.60.70.8

y0.3780.1080.0120.000.0180.0750.180.30.437

x0.91.01.11.21.31.41.51.61.7

Y0.5940.7670.9621.181.4251.691.9832.392.62

X1.81.92.02.12.22.32.42.5

Y2.963.33.74.184.524.9555.45.875



根据《溢洪道设计规范(SL253—2000)》,溢流堰的泄流能力按下式复核:

式中:Q—溢流堰的下泄流量(m3/s);

B—溢流堰的总净宽(m);

H0—计入行进流速水头的堰上水头;

m、ε—分别为溢流堰的流量系数和侧收缩系数;

σ—堰流淹没系数。

复核结果如下(参见调洪演算):

洪水重现期年10001005030

相应频率P%0.1123.33

洪峰流量m3/s662.2478.8422.7384.9

最高洪水位m285.17284.64284.49284.38

最大下泄流量m3/s488.4337.9299.4279.4

5.3.3.2 溢洪道侧槽与泄槽水面线的计算

本溢洪道采用弯道延伸方案进行加固与改造,侧槽及泄槽各

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段的水力要素如下表所示:


部 位侧槽渐变段泄槽泄槽过渡段弯道过渡段泄槽

起始桩号0+0000+0700+1050+1850+2250+2400+3150+330

终止桩号0+0700+1050+1850+2250+2400+3150+3300+340

长 度7035804015751510

进口断面型 式梯型梯型梯型梯型梯型矩型矩型矩型

底高程280.366277.898277.840274.274270.274268.774261.274259.774

底宽b4.8524.716.716.716.716.716.716.7

边坡m0.250.250.250.250.25000

出口断面型 式梯型梯型梯型梯型矩型矩型矩型矩型

底高程277.898277.840274.274270.274268.774261.274259.774257.774

底宽b24.8516.716.716.716.716.716.716.7

边坡m0.250.250.250.250000

纵坡i00.001670.04460.100.100.100.100.10

糙率n0.0140.0140.0140.0140.0140.0140.0140.014

备 注直段直段直段直段扭曲段R=100m圆弧扭曲段直段

溢洪道的总长为350m(含挑流鼻坎段10m),其中前225m为加固改造段,断面为梯型,尺寸已考虑侧墙衬砌砼的厚度;后125m为新建的延伸段,均采用同一的底宽与纵坡。为使加固改造段满足《溢洪道设计规范(SL253—2000)》对水力条件的要求,并尽可能减少工程数量,对原设计参数作如下的调整:

a)侧槽首端的底板高程采用280.366m,以满足侧槽堰上水深小于堰上水头一半的要求,避免泄洪水流被淹没而影响到设计流量。

b)原溢洪道采用的纵坡分别为:侧槽0.0612、渐变段0.033、泄槽0.033及0.10,上述纵坡均大于各种流量下相应段的临界坡降,


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故侧槽内各断面难以形成缓流流态,连接侧槽与泄槽的渐变段也不能对流态起有效的调节作用,结果使侧槽末端的水深不具备确定性。由于这一情况的存在,当采用规范A·3·1条第1款求得渐变段末端水深h1并向上游反演水面线时,无法求出侧槽各断面的水深。为此,在维持0+070与0+185两断面底板高程不变的前提下,调整中间两段的纵坡,令渐变段的i=0.00167。在各种流量下,由渐变段末端算出的临界坡降均大于上述i值,使渐变段始终保持为缓坡,其末端的水深为临界水深。


以渐变段末端的临界水深为起始水深,分别向上、下游计算水面线的坐标。其中,侧槽的水面线按规范由海因兹公式进行计算:



泄槽则按非棱柱体明渠均匀流的逐段试算法求解:

式中:Δx、Δl1—2—各分段的长度;

Δy—分段的水面高差;

q—侧堰的单宽流量;

Q1、Q2—分别为侧槽各分段的进、出口的流量;

v1、v2—分段始、末断面的水流平均流速;

h1、h2—分段始、末断面的水深;


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α1、α2—分段始、末断面的流速分布不均匀系数,取1.05;


θ—泄槽底坡角度;

i—泄槽的纵坡,i=tanθ;

n—侧槽、泄槽的糙率系数;



—分别为段内平均摩阻坡降、平均流速与

断面的平均水力半径。

水流的掺气水深等于



式中,h、hb—分别为泄槽计算断面的静水深与掺气水深(m);

v—不掺气情况下泄槽计算断面的流速(m/s);

ζ—修正系数,近似取ζ=1.2

而梯形断面的临界水深直接按定义公式



迭代求解。在校核洪水与设计洪水下,溢洪道的水面线计算结果如附表所示,从表中可看出:

a)侧槽槽首断面的堰上水深ys与堰上水头H0之比符合ys ≤0.5H0的关系,故在校核、设计洪水下,侧槽为自由出流;

b)侧槽与渐变段各断面的水深都大于临界水深,均属于缓流。


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溢洪道水面线计算成果表


部位断面 桩号P=0.1%校核洪水P=1%设计洪水导墙最小高度槽底 高程最低导 墙高程

静水深流速掺气 水深静水深流速掺气 水深

mm/smmm/smmmm

側槽L=70m0+0003.470.003.472.690.002.693.97280.366284.335

0+0053.651.333.712.841.212.884.21280.190284.397

0+0103.962.034.063.101.843.174.56280.013284.570

0+0154.252.414.373.332.183.424.87279.837284.711

0+0204.502.654.643.542.383.645.14279.661284.805

0+0254.722.814.873.712.523.825.37279.485284.859

0+0304.902.925.073.862.613.985.57279.308284.880

0+0355.062.995.243.982.684.115.74279.132284.876

0+0405.213.055.404.102.724.235.90278.956284.852

0+0455.333.095.534.202.764.346.03278.779284.811

0+0505.453.125.654.292.784.436.15278.603284.757

0+0555.553.155.764.372.804.526.26278.427284.691

0+0605.653.175.864.452.824.606.36278.251284.615

0+0655.743.185.964.522.834.676.46278.074284.531

0+0705.823.196.044.582.844.746.54277.898284.441

渐变段L=35m0+0755.773.396.004.543.014.716.50277.890284.390

0+0805.703.595.944.493.204.666.44277.881284.326

0+0855.613.845.874.423.414.606.37277.873284.245

0+0905.504.135.774.343.674.536.27277.865284.138

0+0955.344.505.634.214.004.416.13277.857283.989

0+1005.105.015.414.024.464.235.91277.848283.755

0+1054.346.334.673.415.653.645.17277.840283.006

泄槽 L=80m0+1253.128.973.452.368.292.593.95276.949280.900

0+1452.7810.113.122.089.432.323.62276.057279.672

0+1652.5610.982.901.9110.292.153.40275.166278.568

0+1852.4111.712.751.7910.992.033.25274.274277.523

陡槽 L=40m0+2052.1313.292.471.5712.561.812.97272.274275.246

0+2251.9514.562.291.4413.801.672.79270.274273.067

过渡段L=15m0+2401.9115.342.261.3714.791.612.76268.774271.532

弯道L=75m0+2601.7916.302.151.2915.641.542.65266.774269.419

0+2801.7117.132.061.2416.361.482.56264.774267.332

0+3001.6417.861.991.1916.971.442.49262.774265.263

0+3151.5918.351.951.1717.371.412.45261.274263.719

过渡段L=15m0+3301.5618.791.911.1417.721.382.41259.774262.181

陡槽L=10m0+3401.5119.321.861.1218.141.362.36257.774260.138

5.3.3.3


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溢洪道延伸段弯道的水力计算


根据实际的地形条件,溢洪道的延伸段按弯道进行布置,其轴线的曲率半径选择R=100m,弯道的总长度为75m,进出口分别设置15m的过渡段,弯道始末断面相应的中心夹角为θ=42°58′19″。弯道的泄槽采用矩型断面,不考虑侧向的收缩,但为了与老溢洪道的梯型断面平顺衔接,槽宽采用b=16.7m,内外墙的高差采用3m,底板相应的横向倾角α=10°11′03″。由于转弯半径在(6~10)b的范围以内,故本弯道满足《溢洪道设计规范(SL253—2000)》对水力条件的要求。

弯道段内外侧的横向水位差分别按小扰动冲击波理论及向心力经验公式进行验算,取其较大值。



a)当按小扰动冲击波理论计算时,设波角为β1,最大横向水面差所在断面的转角为θ0,则

式中,Fr1—扰动线上游来流弗劳德数;

h1—扰动线上游来流断面水深,m;

v1—扰动线上游来流断面流速,m/s;

b—弯道槽宽,m;

r0—弯道中心线的曲率半径,m。边墙水深按下式迭代求解式中,θ—道圆心角,(°);Fr—相应转角θ处,内、外侧水流的弗劳德数;


θ1—积分常数,根据θ=0,h=h1,Fr=Fr1,代入上式求得。

求得积分常数θ1后,将θ1与θ相加(当转角向内)或相减(当转角向外),由上式可得出沿程外侧及内侧相应的弗劳德数、水深及流速。如将θ0值代入上式,则可求得弯道段外侧的最高水深与内侧的最低水深,其差值即弯道段最大横向水面差。

b)当水流转弯时,其向心力由横向水面差提供。此时,弯道外侧水面与中心线的水面高差Δh可按下列经验公式计算:

式中,K—超高系数,由规范A·3·4表查取,本溢洪道采用K=1.0;

其余符号的意义同前。

具体计算时,按消能防冲的标准,采用频率P=3.33%的洪水复核弯道内外侧墙的高度,此时须根据规范的要求考虑安全超高。为防止在大流量下,洪水漫出槽外,还采用P=0.1%的校核洪水进行归槽验算,此时不考虑安全超高。由弯道进口断面中心线的

水深 h1=1.184m

流速 v1=14.135m/s

按前面列出的公式求得:

波角 β1 =13°56′57″

最大横向水面差所在断面的转角 θ0=31°49′13″

进口弗劳德数 Fr=4.148

积分常数 θ1= 26°22′12″

则弯道各断面内外的水位差Δh为:桩号转角θ按小扰动冲击波理论计算按经验式计算最终

采用 Δh/2

弯道外側弯道内側Δh中心

流速vΔh/2

θ1+θFrhθ1-θFrh

0+240026.374.1481.18426.374.1481.184014.13500

0+26011.45937.832.7881.54314.917.8850.7620.78114.9773.8183.818

0+28022.91849.291.9541.9553.45239.720.2591.69615.6714.1814.181

0+296.6831.82058.191.4462.389-5.45

02.389516.2504.4954.495

0+31542.97169.341.0003.056-16.6

03.055516.6194.7024.702

故在P=3.33%洪水下,内、外侧墙需要的最低顶高程:

部位断面 桩号静水深流速掺气 水深弯道 超高安全 超高槽中心 底高程外导墙最底顶高程内导墙最低顶高程外墙最小墙高内墙最小墙高

过渡段L=15m0+2251.2313.401.420.000.50270.274272.197272.1971.921.92

弯道L=75m0+2401.1814.141.383.400.50268.774274.060267.2573.81-0.04

0+2601.1214.981.323.820.50266.774272.410264.7734.16-0.53

0+2801.0715.671.274.180.50264.774270.723262.3624.48-0.94

0+3001.0316.251.234.500.50262.774268.999260.0094.75-1.29

0+3151.0116.621.214.700.50261.274267.683258.2804.94-1.52

过渡段L=15m0+3300.9916.941.190.000.50259.774261.462261.4621.691.69

在校核洪水下,内、外侧墙需要的最低顶高程:

部位断面 桩号静水深流速掺气 水深弯道 超高安全 超高槽中心 底高程外导墙最底顶高程内导墙最低顶高程外墙最小墙高内墙最小墙高

过渡段L=15m0+2251.9514.562.290.000.50270.274273.067273.0672.792.79

弯道L=75m0+2401.9115.342.264.010.00268.774275.037267.0264.79-0.28

0+2601.7916.302.154.520.00266.774273.442264.3975.20-0.90

0+2801.7117.132.065.000.00264.774271.828261.8365.58-1.47

0+3001.6417.861.995.430.00262.774270.192259.3335.95-1.97

0+3151.5918.351.955.730.00261.274268.949257.4896.20-2.31

过渡段L=15m0+3301.5618.791.910.000.00259.774261.681261.6811.911.91

表中,内墙最小墙高为负值,表示内墙的底高程低于泄槽中心线的底高程。由此,可确定内、外侧墙的最低墙高及相应的墙顶高程,如下表所示:

部位断面 桩号P=0.1%P=3.33%最小墙高采用值相应墙顶高程

外墙最小墙高内墙最小墙高外墙最小墙高内墙最小墙高外墙最小墙高内墙最 小墙高外导墙最底顶高程内导墙最低顶高程

过渡段L=15m0+2252.792.791.921.922.792.79273.067273.067


www.zhulong.com

弯道L=75m0+2404.79-0.283.81-0.044.79-0.04275.037267.257


0+2605.20-0.904.16-0.535.20-0.53273.442264.773

0+2805.58-1.474.48-0.945.58-0.94271.828262.362

0+3005.95-1.974.75-1.295.95-1.29270.192260.009

0+3156.20-2.314.94-1.526.20-1.52268.949258.280

过渡段L=15m0+3301.911.911.691.691.911.91261.681261.681

根据以上计算结果,弯道段外墙的高度在0+240断面采用4.80m,0+315断面采用6.20m,其余断面按线性插值法计算,内墙的高度则统一采用3m。

5.3.3.4 溢洪道出口段挑流消能的计算




挑流水舌的外缘挑距为

式中,L—挑距,此处指鼻坎至冲刷坑最低点的距离(m);

θ—鼻坎挑射角;

h1—鼻坎末端的法向水深(m);

h2—鼻坎至冲刷坑最低点的高差(m);

v1—鼻坎坎顶水面流速(m/s),

v1=1.1v

v—鼻坎断面的平均流速(m/s),等于:



该公式的适用范围是S<18q2/3,式中

Z0—鼻坎末端与库水位的高差(m);

φ—流速系数;

hf、hj—沿程损失与总的局部损失(m);

S—流道的长度(m)



本初设中,鼻坎的平均流速按泄槽水面线的结果进行推算,即近似用泄槽末端的水深代替鼻坎末端水深,再根据鼻坎末端断面的单宽流量q,计算其平均流速v。


冲刷坑的最大水垫深度T为

T=kq1/2Z1/4

式中,Z—下游水位至冲刷坑底的最大水垫深度;

k—综合冲刷系数,取k=1.4。

为寻求合理的挑流消能参数,现拟定三种鼻坎方案进行比较。设挑流鼻坎反弧段的长度为10m,末端倒角长度为0.20m。采用挑流鼻坎反弧段的曲率半径为16.5m,三个方案选取不同的挑射角15°、20°、25°。显然,反弧段的入射角δ=arctan(i)=arctan(0.10)=5.7106°。各方案的几何参数如下表所示:

入射

角δ挑射角θ前弧

投影长后弧

投影长进口

投影长末端倒角长反弧起 点高程反弧最低点高程鼻坎出

口高程

5.711°25°1.6426.9731.1850.20258.656258.574260.120

5.711°20°1.6425.6432.5150.20258.523258.441259.436

5.711°15°1.6424.2703.8880.20258.385258.303258.866

按照《溢洪道设计规范(SL253—2000)》,消能防冲的标准采用30年一遇的洪水,已知:

流量Q(3.33%)=279.4m3/s;

相应上游水位284.38m;

上、下游水位差Z=51.38m;

鼻坎段宽度b=16.7m;

单宽流量q=16.731m2/s;鼻坎末端法向水深h1=0.966m;鼻/s

根据有关的挑流消能公式,求得各种方案下挑流消能的参数如下表所示。冲刷坑计算按最不利的情况考虑,即下游无水,下游水位等于水舌落地点的地面高程,且鼻坎顶至河床的高差按冲刷坑最低点计算。

挑射

角θ鼻坎

顶高程假设下游水位下游河

床高程挑距 L水垫 深T冲刷坑

底高程

25°260.120233212.770.13720.296212.7

20°259.436233212.768.90520.296212.7

15°258.866233212.766.98620.296212.7

采用挑射角θ=20°。

5.3.3.5溢洪道防空蚀计算

从水面线计算成果可见,泄槽的最大流速已超过15m/s,属高速水流,故应进行防空蚀计算。来流的参考断面选择在泄槽的出口,相应桩号为0+340,洪水标准按P=3.33%考虑。根据《溢洪道设计规范(SL253—2000)》,水流的空化数为:


式中,σ—水流的空化数;

h0—来流参考断面的时均压力水头,m;

v0—来流参考断面的平均流速,m/s;

ha—建筑物所在地区的大气压力水柱,m,由当地的海拔高

度按公式计算;

hv—水的汽化压力水柱,m,与水温有关,按规范表A·6·1

选择hv = 0.17。

泄槽空化的主要原因是过水断面的不平整度,考虑到项目的施


工工艺水平,不平整度Δ选择3cm,则


Δ/δ=12.2*(Δ/S)3/4=0.011

从规范表A·6·2查得初生空化数σi= 0.35,而由相关公式计算的水流空化数为σ=0.708。即σ>σi,水流空化数大于初生空化数,泄槽在高速水流的作用下,不存在空蚀破坏的可能性,也不需要采取附加的防护措施。

5.3.4 结构设计

本溢洪道采用弯道延伸方案进行加固改造,溢洪道的总长度为350m,其中前225m为加固处理段,后125m为延伸扩建段。若以渐变段进口断面的中心A为相对坐标的参考点,并假设其坐标为:

x=100000m,y=100000m

则溢洪道各控制点坐标的计算成果如下表所示:

点 号BCDEF

x坐标100014.8151000167.9071000231.0341000252.5961000152.264

y坐标100002.3471000026.5941000063.7581000091.3281000125.363

备 注溢洪道

桥中心弯道进口

断面中心弯道出口

断面中心溢洪道出口

断面中心弯道曲

率中心

延伸扩建段为新建项目,而加固处理段则包括溢流堰的翻修与灌浆、泄槽侧墙的防渗与局部加高、底板的除险加固等项目。其中,底板由于破损程度严重,且其纵向坡比已根据水力学的要求作了局部的调整,故需进行全线的翻修。现将各部位的设计要点分述如下:

5.3.4.1 溢流堰的加固改造

根据记载,原溢流堰的施工质量较差,目前堰面砼已老化,砼表面多处剥落且局部开裂,难以承受泄洪水流的直接冲刷。加固处理的方法是:将原堰面砼全部拆除,重新浇筑C20砼,厚度为0.5m,



砼表面铺设温度钢筋。每隔10m设置伸缩缝1条,缝宽30mm,缝中充填沥青麻绒,表面用环氧树脂贴橡皮进行止水。


为降低泄槽底板承受的扬压力,须对溢流堰进行基础悬挂式帷幕灌浆,按单排二序孔实施,孔距为2.5m。孔深不需要深入相对不透水层,仅按底板容许承受扬压力的要求考虑15m。灌浆采用直下而上的方法进行,结合堰体的充填,一直灌至溢流堰堰顶。灌浆轴线距堰的上游面0.3m,起始点位于端堰并嵌入山体内10m,然后沿端堰、侧堰直线向前延伸,终止于大坝心墙,这样处理可形成连续的基础防渗帷幕。有关灌浆的技术要求及设计参数,详见大坝帷幕灌浆设计。

排水孔位于溢流堰后缘,与溢洪道底板的纵向排水沟相连,孔距5m,孔深为帷幕灌浆孔的1/3,即5m。钻孔后,需用高压气水将孔壁冲洗干净,再用土工织物将孔口0.2m范围封闭,以防纵向排水沟的砂卵石落入孔中造成排水孔堵塞。

5.3.4.2 溢洪道侧槽、泄槽与挑流段加固

溢洪道底板与侧墙采用C20砼浇筑,并配置必要的构造钢筋。由于设计中考虑了溢流堰的灌浆排水、溢洪道底板的纵横排水系统、锚固等多种防护措施,故底板不再根据护坦公式进行计算,其厚度按构造要求采用0.3m,也不做砼齿墙。侧墙砼用于对泄洪水流进行防渗,厚度为0.15m,防渗高度按水面线的计算结果确定。由于侧槽与渐变段的侧墙高度低于水面线计算要求的最低高度,故上述两部位的侧墙需进行加高,详见有关设计图纸。

溢洪道加固工程的质量取决于砼拆除工作的质量,故老砼的拆除与开挖必须到位。另外,浆砌块石找平淘空部位、纵横排水沟的


敷设也都是关键工序,必须严格按规范执行。侧墙砼在浇筑前,应将老墙面进行清洗与凿毛。


溢洪道底板的分缝分块考虑以下原则:a)规范要求分缝的间距不大于10~15m;b)纵横排水沟不得骑缝布置;c)伸缩缝应形成封闭的止水体系,以便将地上水与地下水完全隔开。由此确定底板的分块尺寸为10×15m,底板两侧分别留0.85m宽参与侧墙分缝,与侧墙一起现浇砼。对于侧槽及渐变段等异型底板,分缝分块详见图纸。为防止滑坡体蠕变引起开裂,将侧墙砼的垂直分缝间距减小至5m。伸缩缝的缝宽一律为30mm,缝中充填沥青麻绒或沥青与锯木屑的混合物,缝面用环氧树脂粘贴平板橡皮进行止水。

底板排水系统:纵横排水沟均采用砂卵石盲沟,其中纵向排水沟1条,断面尺寸为400×500mm,起始于溢流堰的后缘,在渐变段的进口断面拐向溢洪道中心线,直至桩号0+240(即弯道的进口断面),底板的渗水由已废弃的溢洪道泄槽导向下游。弯道的排水系统另行设置,并与上述排水系统完全独立、分离。横向排水沟的断面尺寸为300×400mm,间距5m,纵坡3%,异型底板下横向排水沟的布置参见设计图纸。为防止盲沟被水泥浆液堵塞,底板与侧墙在浇筑砼以前,要用聚乙烯薄膜将仓面与盲沟隔开。

锚固采用φ25的Ⅱ级螺纹钢筋,每根长3m,每块底板布置8根,每根控制的底板面积为4×5m2,异型底板的锚筋参照控制面积布孔。锚固宜在砼底板达到设计强度后进行,按先打孔、灌水泥砂浆后插锚筋的工序施工,最后锚孔的孔口须用环氧砂浆进行封闭。

5.3.4.3

溢洪道延伸工程

溢洪道延伸段的起始桩号为0+215,终止于桩号0+350,全长135m,包括进口过渡段15m、弯道75m、出口过渡段15m、起连接作用的泄槽10m、挑流鼻坎段10m。在确定延伸段中心线位置、纵向坡比及弯道曲率半径时,已结合具体的地形、地质条件进行了多种方案的比较,最后择优采用。弯道起始点C的位置,主要受地形条件的制约,其右侧山体在原溢洪道的开挖过程中,由于深切方的缘故,已形成事实上的条形山地形,如将起始点C向上游移动,则开挖方量将大幅度增加,并使延伸段过分与下游坝脚靠近,不利于大坝的安全;如将C点下移,即使采用规范容许的最小转弯半径R=100m(6倍的槽宽),也不能将泄洪水流在合理的平面夹角下送往河床归槽。由于以上情况的存在,使延伸段的平面布置具有如下特征:

a)整个延伸段处于半填半挖区域;

b)整个延伸段左侧墙的墙背无支承,处于临空状况,使左侧墙处处呈悬臂受力状态;

c)延伸段出口的20m为架空结构(包括泄槽与鼻坎段)。

在延伸段的结构设计时,将着重解决上述问题。

5.3.4.3.1 开挖与基础处理

根据工程地质条件,开挖边坡直下而上采用三级边坡:第一级高3.8m,边坡系数为m=0.25;第二级高8m,边坡系数为m=0.75;第三级开挖至坡顶,边坡系数为m=1.0;在第二与第三级之间设置戗道,宽1m。底部则根据泄槽的横向坡度开挖,并考虑用0.3m厚的M5.0浆砌石进行找平。


在第一级开挖边坡的内侧须做M7.5浆砌石挡土墙,其下部为斜坡式挡墙,紧贴开挖边坡,上部为重力式挡墙,墙背m=0.25,回填砂砾石或风化土,夯实后的干密度不小于1600kg/m3。挡墙高3.8m,顶宽0.7m,墙基厚1m,墙面直立,距延伸段中心线8.65m。完工后,泄槽的侧墙、挡土墙与填土共同形成2.2m宽的平台,可作为延伸段右侧的交通道使用。


泄槽的回填方量采用M5.0浆砌石,其左侧与泄槽的外缘齐平,按直立墙面砌至基础。建基面坐落在强风化层的上限,按2m高为一级开挖成台阶形,台阶的宽度与内侧坡度可根据实际的地质情况调整,宽度采用1m~3m,边坡系数m=0.1~0.5。当直立墙面的高度超过2m时,为加强砌体的强度与完整性,墙面0.8m的范围内改用M7.5浆砌石砌筑。由于砌石回填的方量较大,技设时应进行优化,尽可能采用挖空结构,以节省投资。

浆砌石砌体的分缝间距与延伸段槽身相同,缝宽为30mm,缝中不进行充填。

5.3.4.3.2 进口过渡段设计

该过渡段长15m,其位置与原泄槽重迭,作用是将上游的平底梯形断面(m=0.25)过渡到弯道的直立墙斜底断面。为改善水力条件,侧墙与底板双向均采用扭曲面进行过渡。其中:侧墙左、右墙的高度h、边坡系数m沿程按线性变化;底板可按左边线纵坡i=0、中心线纵坡i=0.1、右边线纵坡i=0.2共同形成的扭曲面进行设计。

由于该过渡段由原泄槽改造而得,侧墙支承在原砌石挡墙上,故可采用C20纯砼浇筑,底板厚0.15m,侧墙厚0.3m。温度钢筋


的配置、分缝分块尺寸、分缝与止水的结构型式,均与溢洪道加固段相同。


5.3.4.3.3 弯道与出口过渡段设计

弯道的总长度为75m,采用直立墙斜底断面,左右侧墙的底高差为2m。右侧墙墙高为3m,墙厚0.30m,紧靠挡土墙浇筑。左侧墙墙高由起始断面的4.80m逐步增加到终止断面的6.20m,墙顶厚0.30m,墙底厚0.50m。底板厚0.50m,其横向倾角为α=10°11′03″。由于左侧墙处于悬臂板的受力状态,故泄槽按单向钢筋砼结构设计,砼采用C20,纵向按构造配筋,横向则由受力要求计算配筋数量。

弯道泄槽受槽中水流离心力及右侧挡土墙土压力两种水平荷载的共同作用,故需复核槽身的抗滑稳定性。采用纯摩公式


进行计算,式中

ΣW—抗滑力之和,方向垂直于滑动面;

ΣP—滑动力之和,方向平行于滑动面;

f—抗剪摩擦系数,取f=0.65。

存在两种可能的滑裂面:

(1)滑裂面为水平面,此时上述公式可具体化为


式中,W—水重,按过水断面积进行计算;

G1—槽身自重,按槽身的几何尺寸进行计算;

G2—槽底至滑裂面间三角形岩块或浆砌石的重量,由几何

关系计算;


U—扬压力,由于溢流堰的渗水已从2+240断面排往下游


,故作用在弯道段的扬压力甚小,可忽略不计;

E—侧向土压力,按朗肯公式计算;

F—弯道水流作用在左侧墙与底板上的离心力,近似按泄槽

中心


的流速,由物理学公式进行计算:


可见,离心力是沿弧长的分布荷载,取单位弧长则得

式中,γ—水的容重;

Q—流量,按防冲消能标准采用频率P=3.33%的设计洪水;

v—泄槽中心的流速,由于弯道出口断面的流速最大,故按

该断面进行复核;

R—弯道的曲率半径,R=100m;

g—重力加速度,g=9.81m/s。

(2)滑裂面为泄槽的基底面,则


式中,α—泄槽底板的横向倾角;

其余符号同前。

经验算,弯道在上述两种滑裂面下,均能满足抗滑稳定要求。

桩号0+315开后为泄槽的出口过渡段,其长度为15m,用于将弯道的直墙斜底断面渐变为矩形断面。右侧墙高度为3m,左侧墙


高度由6.20m减小至3m,底板为扭曲面。采用C20纯砼结构,断面尺寸、做法均与弯道段相同。


弯道与出口过渡段均采用横向分缝,不设纵向缝。分缝间距按中心线弧长10m考虑,沿径向布置。缝宽20mm,用沥青杉板分隔,临水面贴止水橡皮。

5.3.4.3.4 出口架空段设计

泄槽出口段20m为架空段,按C20钢筋砼排架式渡槽设计。槽身为简支结构,跨度10m,矩型断面,槽身净宽16.70m。底板厚0.50m,侧墙高3m,顶厚0.30m,底厚0.50m,侧墙与底板之间用0.20×0.20m的斜角加强。槽身伸缩缝缝宽20mm,用沥青杉板分隔,临水面贴止水橡皮。槽底等距离布置5根承重大梁,梁高1m(含底板厚度),梁宽0.60m。承重排架由5根立柱构成,断面尺寸为0.80×1.0m,顶横梁的断面尺寸为0.60×1.0m,纵、横联系梁为0.50×0.60m,纵、横联系梁的净间距4m。采用独立的钢筋砼柱基础,尺寸为2.50×2.70m,基础高0.80m,持力层选择基岩强风化层的上限。挑流鼻坎段槽身的尺寸详见有关图纸。

槽身、排架与基础均按受力要求配置纵、横向的钢筋。

5.3.4.3.5 底板排水系统

溢洪道的延伸段设置独立的排水系统,用于排泄右岸山体渗入底板以下的地下水。采用1条纵向排水沟,布置在泄槽的右侧,断面尺寸为0.40×0.50m,出口位于0+330断面。横向排水沟每跨槽身采用1条,沿径向布置在跨中,断面尺寸为0.30×0.40m。纵、横排水沟均为砂卵石盲沟,施工与技术要求同前。

5.3.4.4


滑坡体的加固处理


溢洪道延伸后,泄洪水流经弯道段与鼻坎段直接挑往河床,对下游的滑坡体不再构成冲刷与威胁,故滑坡体的处理相对较简单,主要采取如下措施:

a)左岸与下游的两个滑坡体,原有的排水沟标准不高,且多已废弃,本次初设计划在滑坡体的表面重新布设排水沟,长度如下表所示:

部位左 岸 滑 坡 体下 游 滑 坡 体

排水沟总沟1#2#3#4#5#1#2#3#4#5#

长度(m)709522019517514565110956575

同时,结合对下游滑坡体进行整坡处理。

b)溢洪道泄槽左侧的滑坡体,下滑方量在10万m3以上,而由溢洪道开挖形成的高切方卸荷临空面,对该滑坡体的稳定极为不利,须进行观测与跟踪。为此布置了变形观测点,采用视准线法进行水平位移观测,并利用起测基点建立的水准高程,按精密水准法测量垂直位移值,详见有关的设计图纸。要求配置T2经纬仪、精密水准仪各一台及相关器材若干。

5.3.5 溢洪道加固工程设计说明及主要工程数量

如下表所示:

部位项 目 名 称单位数量




固土方开挖m3240


石方开挖m3500

M5.0 浆砌块石m31980

溢洪道底板C20钢筋砼m31280

溢洪道侧墙C20砼m3260

堰面C20钢筋砼m3196

钢筋制安t43

堰体及基础灌浆(间距2500,42孔)m848

堰后排水孔(间距5000,17孔)m140

纵向砂砾石排水盲沟(400×500)m276

横向砂砾石排水盲沟(300×400)m785

底板锚固钢筋(φ25,L=3000)根215

沥青麻绒伸缩缝m2350

环氧树脂帖橡皮止水m1320

拆除砼与浆砌块石m31496

土方开挖m34422

石方开挖m38560

M7.5 浆砌块石m3740

M5.0 浆砌块石m32977

C20钢筋砼泄槽m31273

C20钢筋砼排架及基础m3227

钢筋制安t140

M5.0 浆砌块石m3344

C15排水沟砼m322

钢筋制安t8.4

纵向砂砾石排水盲沟(400×500)m120

横向砂砾石排水盲沟(300×400)m420

沥青麻绒伸缩缝m2130

环氧树脂帖橡皮止水m320

拆除砼与浆砌块石m3507

理土方开挖m34397

石方开挖m3480

M5 浆砌块石m31104

C20排水沟砼m372


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