柴沟园水库除险加固工程输水洞初步设计

摘要：柴沟园水库位于白河支流上，地理位置重要，防洪效益突出。已运行多年，安全隐患突出，需进行除险加固。

关键字：水库 除险加固 初步设计 输水洞

中图分类号：TV62 文献标识码： A

1.1前言

柴沟园水库位于某县白河支流上，属长江流域唐白河水系。水库坝址以上控制流域面积1.1km2,主河道长度0.62km，河道平均比降0.02。

大坝为均质土坝，全长70.0m，坝顶宽3.7m，最大坝高15.0m，现状坝顶高程203.61～203.92m，大坝迎水坡坡比1:2，背水坡坡比1:2.4。水库于1956年10月动工兴建，1957年4月竣工。是一座以防洪为主，兼顾灌溉、水产养殖等综合利用的小(2)型水库，主要建筑物有大坝、溢洪道、输水洞等。

水库下游有一个乡镇和4家乡镇企业厂矿，人口1万人和0.68万亩耕地，以及省道豫02线等交通设施，水库的安全运行直接关系到国家财产及沿岸人民的生命财产安全，防洪位置比较重要。

输水洞位于大坝桩号0+020处，洞身为浆砌石箱涵，洞身宽0.5m、高0.6m，最大输水流量0.15 m 3/s，进口为浆砌石斜卧管。洞身进口高程194.37m。

输水洞现状存在问题有：输水洞进口为爬坡漏，已废弃，原斜卧管封堵不严,漏水严重，不能使用，无操作平台，出口淤积废弃。

1.2 水库区工程地质条件

（1）地质概况

水库所处位置为伏牛山的偏东部位，构造单元上属于秦岭地轴、伏牛-大别弧形构造带的中间部位，整个区域为丘陵区。

本区域由中元古界地层组成，自元古代到中生代漫长的地质时期内处于隆起状态，经受风化剥蚀作用，未接受任何沉积。中生代末期燕山运动波及本区，使其发生显著的断裂构造，沿断裂伴随有大量的岩浆侵入。区域内出露地层主要为花岗岩、页岩及片岩。

（2）水库渗漏

水库所在区域为丘陵区，库区岩性主要为三叠系页岩及第四系松散覆盖层，两岸山体浑厚，无较大断裂发育和通往库外的构造破碎带，不存在库区渗漏问题。

（3）库岸稳定

库区山体自然边坡多为30～50°，未有大的滑坡、崩塌等物理地质现象，库岸基本处于稳定状态。

（4）水库淤积及固体迳流量

库区页岩多呈强风化状态，植被差，固体迳流物来源广，水库存在淤积问题。输水洞进口处淤积高程194.37m。

（5）地震烈度

根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2001，该区地震动峰值加速度值为0.05g，相当于地震基本烈度为Ⅵ度，动反应谱特征周期0.35s。

1.2.1输水洞工程地质条件评价

输水洞顶部坝体土干密度算术平均值ρd=1.588g/cm3，ρd≥1.627g/cm3的占总数的30.0%；坝体土饱和固结快剪算术平均值C=34.3kPa、φ=18.7°，小值平均值C=31.0kPa、φ=16.7°。输水洞洞周接触段注水试验渗透系数K=2.87×10-4cm/s，中等透水。

输水洞基础座于三叠系页岩中，岩石强风化状态，透水率5.26Lu，弱透水，岩体稳定，承载力特征值fak=400kPa，工程地质条件较好。

1.3.1输水洞维修加固工程

输水洞除险加固工程包括：进、出口拆除，新建塔式进水口、金属及启闭设施更新。.

1.进口段

进口段包括八字墙及喇叭段进水口，输水洞进口为3.56m长的八字墙，进口宽3.35m，底高程为194.37m，与死水位齐平，底板材料为0.30m厚的C20砼，两边墙采用C20砼重力式挡土墙；用C25钢筋砼喇叭段连接八字墙与闸室，喇叭口进口高1.3m,宽1.56m，长1.5m。

2.闸室段

⑴启闭塔

启闭塔设工作闸门及检修闸门。启闭塔采用C25钢筋混凝土结构，闸底板顶部高程为194.37m，尺寸为4.3×3.4m（长×宽），闸底板厚0.7m；检修平台高程为201.20m，厚0.12m，尺寸为4.0×3.0m（长×宽）。

⑵工作桥

工作桥全长10m，桥面高程203.90m。桥面板宽1.8m，桥板厚0.22m，栏杆为石材栏杆。

⑶操纵室

启闭室墙体采用砖混结构，层高3.6m，尺寸为3.84m×2.84m（长×宽），墙厚0.24m；屋顶为现浇钢筋混凝土结构，底板采用C25钢筋砼，尺寸为6.0m×5.0m（长×宽），厚0.12m，窗户全部采用铝合金窗，尺寸1.2m×1.8m（宽×高）共3扇，门尺寸1.5m×2.7m（宽×高）共1扇，外加防盗门。

3.出口段

出口2条灌溉渠道拆除重建，形式为矩形钢筋砼渠道。渠道尺寸分别为1m×0.8m(宽×高)、0.8×0.8(宽×高)，与下游渠道相接。

1.3.2输水洞过流能力计算

①水力计算复核

输水洞按无压洞运行，下游水位不影响输水洞泄流能力。依据上述条件，输水洞的泄流能力采用闸孔自由出流公式计算。

计算公式如下：

式中: ；

Q——设计过闸流量，m3/s；

b——闸孔宽度，取0.8m；

e——闸孔开度，m；

H0——包括行近流速在内的计算水头，m。

经计算，闸孔在下不同开度下保持无压流的过流能力见下表1.3.2-1。

不同闸孔开度下水闸过流能力计算表

表1.3.2-1

计算

输水洞一般在正常水位时使用，因此输水洞泄流能力计算采用水库正常水位计算泄流能力。因输水洞洞身保持无压出流时流量不大于0.46m3/s，此时输水洞操作时最大开启度应小于0.085m；输水洞设计泄量为0.15m3/s，此时闸门开启高度为0.028m。

1.3.3输水洞结构计算

①闸室稳定计算

(1) 计算参数

输水洞基础座于三叠系页岩中，岩石强风化状态，透水率5.26Lu，弱透水，承载力特征值fak=400kPa，钢筋砼容重为2.5t/m3。

(2) 计算工况

按基本荷载组合和特殊荷载组合进行计算。荷载组合见下表。

表1.3.3-1闸室稳定计算荷载组合

(3) 计算公式

按照《水闸设计规范》（SL265-2001）计算。

抗滑稳定安全系数计算公式：

式中：K——沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；

f'——闸室基底面与地基之间的摩擦系数，取0.5；

ΣG——作用于闸室上的全部竖向荷载(kN)；

ΣH——作用在闸室上的全部水平荷载(kN)；

② 闸室基底压力计算公式:

基底应力按单向偏心受压公式计算：

e=B/2±∑M/∑G

式中：e——全部外荷载对基础底面形心的偏心距。

——基底应力的最大值或最小值；

∑M——作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩（t·m）；

ΣG——作用在基底上的全部竖向荷载；

A ——基底面积(m2)；

B ——底板沿水流方向的长度(m)。

③ 基底压力不均匀系数

η=σmax／σmin

式中：η——不均匀系数；

σmax，σmin——最大及最小压力值。

抗滑稳定安全系数，建筑物基本组合【k】=1.05，特殊组合【k】=1.0；按《水闸设计规范》（SL265-2001）规定，闸室基底应力最大值与最小值之比的允许值，中等坚实地基上，基本组合【η】=2，特殊组合【η】=2.5。基底应力各种工况下均应大于零，并且最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍。闸室稳定计算成果见下表。

表1.3.3-2输水洞闸室稳定计算成果表

计算工况 抗滑稳定

由表可以看出，闸室抗滑稳定系数、基底承载力和不均匀系数均满足规范要求。

④工作桥桥台稳定计算

(1)计算参数

依据《水工建筑物荷载设计规范》DL 5077-1997，工作桥钢筋砼容重为25kN/m3，抗剪断凝聚力为1.1MPa，抗剪断摩擦系数为1.1。工作桥人行荷载为4kN/m2，自重荷载分项系数取1.05；人行荷载分项系数为1.2。

(2) 计算工况

输水洞桥台在完建期基底荷载最大为最不利工况，因此稳定计算采用完建期工况进行计算，计算见表1.3.3-3。

工作桥桥台稳定计算结果

表1.3.3-3

⑤通气孔计算

依据《水工设计手册》，我国闸门设计规范推荐公式直接计算通气量Qa。

(1)通气量Qa

Qa=0.09Vw×A

Qa—通气量，0.014m3/s

A—闸门下游通道全面积，0.30m2

Vw—闸门孔口的流速，0.5m/s

(2)通气孔断面面积

通气孔断面面积

a>Qa/[Va]

a—通气孔断面面积 ,0.00028m2

[Va]—通气孔允许流速，50m/s

(3)通气孔内径

=0.04m

为便于施工和管理本设计采用公称直径为15cm的PVC通气管。