吊鹿沟水库输水洞工程设计

发表时间:2016/1/14   来源:《工程建设标准化》2015年9月供稿   作者:张宏生
[导读] 辉南县水利勘测设计处,吉林,辉南 吊鹿沟水库输水洞为主要建筑物,原有输水洞严重损毁,水库存在安全隐患,本次设计完全按照现行规范要求

张宏生
  (辉南县水利勘测设计处,吉林,辉南,135100)
  【摘  要】吊鹿沟水库大坝为粘土心墙坝,运行至今已有40多年。原施工质量较差,输水洞塔身断裂、倾斜,水位变化区混凝土局部剥蚀破坏;出口陡坡段边墙倾斜,消力池段边墙已倒塌;闸门及启闭设备年久失修,已无法正常运行,输水泄洪存在很大的安全隐患。通过实地考察,输水洞已不能安全运行,本次设计将输水洞洞径确定为1.5×1.8米、进水塔竖井前为有压洞,竖井后采用无压洞,同时完善消能设施,消除了输水洞的安全隐患。
  【关键词】输水洞;洞径选择;消能计算;安全运行
  1 概述
  吊鹿沟水库位于辉发河流域石道河支流吊鹿沟河中游,坝址位于辉南县庆阳镇文胜堡东南1km处,坝址地理位置为东经126°39′13″,北纬42°28′,坝址以上流域面积为7.92km2。水库总库容111.25万m3,正常蓄水库容79.5万m3,死库容5.5万m3。设计灌溉面积2100亩,担负着下游庆阳镇及辉发城镇7个村近6000人、1.55万亩耕地、2座学校的防洪任务。是一座以防洪、灌溉为主,结合养殖等综合利用的小(1)型水库。水库枢纽工程由土坝、溢洪道、输水洞组成。
  2 输水洞工程地质条件评价
  新建输水洞位于大坝左侧,桩号为0+126m,与坝轴线成80°角。其建筑物地基主要由含壤土碎石颗粒组成,其强度可满足建筑物设计要求。
  输水洞洞壁与两侧土体间脱离接触,渗漏严重,后坝脚输水洞左侧出现泉眼,漏水成流,受冻胀影响,出口段边墙倾斜、消力池边墙倒塌,已不能正常发挥使用功能。如拆除重建,基础坐落在坡积的含壤土碎石层上可满足要求。
  3 输水洞断面尺寸确定
  3.1 进水塔竖井前有压洞断面尺寸
  输水洞位于大坝左侧,桩号为0+126m,进水塔竖井段前采用有压洞,洞进出口底高程均为324.0m,洞长7.4m,根据过流能力验算成果,确定洞身尺寸为0.8m×0.8m(宽×高)的方洞。
  3.2 竖井后无压洞断面尺寸
  竖井后采用无压洞,洞进口底高程为324.0m,纵坡坡比2:100,洞出口底高程为323.22m,无压洞长39m,进水塔段与洞身段间的渐变段长3.3m。洞身尺寸为1.5m×1.8m(宽×高)。
  3.2.1 输水洞的过流能力计算
  输水洞进口段为有压洞,方形,进口断面尺寸为b×h=0.8m×0.8m。库水位在324.80m以上为有压流,过流能力按以下公式计算:

  经计算,输水洞在正常高水位时,过流量为10.60m3/s。有压洞洞身尺寸为0.8m×0.8m(宽×高)的方洞,满足要求。
  3.2.2 洞内水面线推求
  隧洞底坡取为2%,大于临界底坡ik=0.017,收缩断面水深hc=1.27m,小于临界水深hk=2.66m和正常水深h0=3.03,洞内的水面曲线为C2型壅水曲线,下游水位为1.3m,下游水位低于洞内均匀流水深N_N线高程,下游水位不影响洞内泄流。水跌发生在洞外。
  据能量方程,利用《水力计算手册》中的“分段求和法”计算水流自收缩断面至输水洞出口输水洞无压洞水面线。
  以输水洞有压段为收缩断面处为起始桩号0+000m,其流速为10.44m/s。水面线计算成果见下表:
  水面线计算成果表

  输水洞出口处水深为1.60米,流速为7.94m/s。
  本次设计取无压段涵洞高度为1.8m,宽度1.5m,纵向比降0.02,满足要求。
  4 输水洞出口消能设计
  消能方式为底流消能,采用下式计算:

  计算结果:校核洪水位332.83m:弗汝德数Frc:1.57,跃后水深 :4.15m,消力池出口水面落差△Z:2.69m,消力池深度S:0.67m, 水跃长度Lj:5.37m,消力池长度Lk:4.08m。
  故消力池设计为:池长5.0m,池深0.7m,池底高程319.30米,池宽1.5米。
  5 输水洞结构总体布置
  新建输水洞位于大坝左侧,桩号为0+126m,与坝轴线成80°角,属无压洞,全长72.3m,由引水渠、进口段、有压段、进水塔段、洞身段、消力池段及尾水渠组成。
  引水渠长10m,渠底高程为324.0m,与渠首河床齐平。渠道为梯形断面,底宽2.4m,边坡为1:2,采用混凝土预制板衬砌。
  进口段由八字翼墙及有压洞组成。八字翼墙段长4.50m,采用混凝土重力式挡土墙结构,墙顶宽0.4m,进口底板高程为324.0m,厚0.4m;进口洞身段长7.40m,为有压段,洞身尺寸为0.8m×0.8m(宽×高)的方洞,洞身与闸室段连接处的结构缝采用橡胶止水。
  进水塔闸室段长4.10m,宽3.70m,为有压段,采用钢筋混凝土结构。主要由塔身、检修层、启闭机室及交通桥组成。塔身尺寸为3.7m×3.7m(长×宽),壁厚0.4m,检修层底板高程为331.40m,启闭机室底板高程333.60m,在启闭机室底板上预留0.6m×0.6m的进人孔。启闭机室面积为38m2,砖混结构。塔内设检修、工作闸门各一扇。交通桥桥面高程为333.6m,长7.95m,宽2m,为砼梁、板、柱结构。
  洞身段长39m,为无压洞,进水塔段与洞身段间的渐变段长3.3m。洞身尺寸为1.5m×1.8m(宽×高),采用钢筋混凝土结构,洞壁厚0.4m,洞身结构缝采用橡胶止水。在与土坝接触的部位修建环形截水环,采用钢筋混凝土结构。
  出口陡坡段长11.8米,由高程323.22降至319.30米,采用砼U形槽结构,底板厚0.4米,槽边墙顶宽0.3米,槽高2.20米。
  消力池段长5.5米,深0.7米,池底高程319.30米,底板厚0.4米,池宽1.5米,采用钢筋砼U型结构。对消力池段后的灌溉渠道进行整形衬砌处理,结构形式为砼板护坡。
  本工程涉及到的各部位混凝土等级标准:垫层素混凝土采用C15,结构混凝土采用C25F250。
  6 结论
  吊鹿沟水库输水洞为主要建筑物,原有输水洞严重损毁,水库存在安全隐患,本次设计完全按照现行规范要求,采取切实可行的设计方案,使输水洞泄流能力、消能设施、结构总体布置等均达到了Ⅳ等工程4级建筑物的标准,消除了安全隐患,使大坝能安全、可靠运行。
  参考文献:
  [1]中国水利水电出版社《水力计算手册》武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室李炜主编。
  [2]《水工钢筋混凝土结构设计规范》(试行)(SDJ20-78)。

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