小型引水渠重力坝设计及计算简化方法探讨
王金科
【摘 要】河口县蒙河铁路隧道施工影响区供水工程灌溉片区多、引水渠数量众多、需修建多座小型取水坝，基于此，论文论述了此类挡水坝的结构简化及计算优化的方法，供相关技术人员在同类工程中进行参考。
【Abstract】In Hekou County MengHe Railway Tunnel Construction， the irrigation area is large， the diversion canal number is large， so it need to construct a large number of small in-take dams， based on this， the paper discusses the method of this kind of retailing dam structure simplification and calculation optimization， to provide reference to relevant technical personnel in similar projects.
【关键词】小型重力坝；结构；设计；优化
【Keywords】small gravity dam； structure； design； optimization
【中图分类号】TV5 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0171-02
1 引言
蒙河鐵路项目规划新建Ⅰ级电气化铁路141.43㎞，设计时速120㎞/h，总投资83.4亿元。蒙河铁路项目在河口县境内段长63.932㎞，占路线全长的45%，其中隧道总长54.12㎞，占河口段全长的84.7%，总投资约37.7亿元，蒙河铁路河口段近85%段为隧道，2010年蒙河铁路河口段开工建设以来，沿线乡镇农场沿途村寨龙潭、泉眼、沼泽地水源流量逐年减小，甚至干涸。
工程项目内受影响缺水的灌溉片区，主要通过修建渠道从周边河流引水灌溉。本文主要针对灌溉片区内多座取水坝同时进行设计，提出减少水工专业设计工作量，避免不必要重复设计工作，进行结构及计算简化和优化的设计方法。
2 挡水坝结构设计
引水渠挡水坝建筑物主要由C15混凝土重力坝、坝面自由溢流和挑流消能、坝身输水管组成，根据重力坝的特点，采用坝身溢流的方式，保证挡水坝的蓄水排泄要求[1]。
2.1 防洪标准
根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99），河口县蒙河铁路隧道施工影响区供水工程，灌溉渠工程的等别为Ⅴ等，工程级别为5级，设计流量仅为0.001～0.215m3/s，并且取水坝下游无重要保护对象，因此，挡水坝采用10年一遇（P=10%）的设计洪水标准，20年一遇（P=5%）的校核防洪标准设计，以此确定挡水坝的工程等别仍为Ⅴ等，工程级别为5级，工程规模为小型。
2.2 结构尺寸设计
结合坝基工程地质条件、水文计算、取水渠首渠底高程及相关重力坝设计规范，坝顶宽度采用1.0 m和1.5m两种类型，迎水面坡比1：0.1，背水侧坡比1：0.6，坝高1.02～7.45m，最大坝基宽度5.97～8.895m。
2.3 溢流坝段设计
通过曲线方程计算下游直线段与曲线段的切点，然后根据上下游水位差和定型设计水头确定坝下游反弧半径为2m，并计算反弧曲线圆心，然后通过消能计算确定挑流角为25o比较合适。为防止小流量冲刷坝脚，在坝脚下游设短护坦工程，溢流面、导水墙为常态C20钢筋砼结构[2]。
灌区各挡水坝溢流坝段溢流堰布置为无闸开敞式自由溢流，溢流堰为实用堰，单孔布置。利用开敞式WES型实用堰泄流能力计算公式，由已知设计流量，将各挡水坝校核流量对应的堰上总水头控制在1.05～1.33m、1.58～2.00m和2.11～2.67m三个区间之内，通过试算法，来选定灌溉片区每个挡水坝的堰流净宽，分别采用2.0m、4.5m、5.0m、5.5m、7.5m、25.0m和26.0m比较合适，并做出对应的各挡水水坝水位—流量关系，因为属于小型挡水坝，为方便设计统一采用0.6m的坝顶超高设计，输水涵管采用Φ300mm的螺旋缝双面埋弧焊钢管，并设置型号SD341X-10的伸缩蝶阀控制。
2.4 挡水坝稳定计算及应力分析
2.4.1 坝体抗滑稳定计算
根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）第6.4款：坝体抗滑稳定计算主要核算坝基面滑动条件，应按抗剪断强度公式（6.4.1-1）或抗剪强度公式（6.4.1-2）计算坝基面的抗滑稳定安全系数。
2.4.3 结论
①经过取水坝的稳定性分析及地基应力分析，坝体沿坝基的抗滑稳定安全系数及坝基应力满足规范规定和坝基承载力的要求；
②坝基最大应力小于坝基全风化片麻岩、全风化板岩承载力[R] 0.18～0.25MPa，因属小型坝，各取水坝基础开挖至片麻岩、板岩全风化层即可，不需要对坝基进行特殊处理；
③由于坝高很小，坝体的工作水头不大，对应的防渗标准也较低，所产生的渗透压力较小，不必对坝基进行防渗处理。
3 结语
对于设计灌溉片区内小型重力溢流坝数量众多的工程项目，为减小坝体高度和减少下游堰堰面曲线的重复计算，优化坝体结构，可以使堰顶作用的最大水头Hmax分别控制在少数几个区间之内，这样小型重力溢流坝定型设计水头就能采用几个相同类型的数值，并结合坝的上下游坝坡，确定堰曲线；灌区各挡水坝溢流坝段溢流堰布置为无闸开敞式自由溢流，溢流堰为实用堰，单孔布置。
利用开敞式WES型实用堰泄流能力计算公式，由已知设计流量，将各挡水坝校核流量对应的堰上总水头控制在开始所选区间之内，通过试算法，来选定灌溉片区每个挡水坝的堰流净宽，并做出对应的各挡水水坝水位—流量关系；通过上述计算方法，可以解决灌溉片区内多座取水坝同时进行设计、计算制图烦琐的问题，避免不必要的重复设计工作，提高水工专业设计效率。
【参考文献】
【1】孙君森，林鸿镁.重力坝设计新思路[J].水利学报，2004，35（2）：62-67.
【2】孙君森，林鸿镁.最优重力坝设计[J].水力发电，2003，29（2）：16-19.
【摘 要】河口县蒙河铁路隧道施工影响区供水工程灌溉片区多、引水渠数量众多、需修建多座小型取水坝，基于此，论文论述了此类挡水坝的结构简化及计算优化的方法，供相关技术人员在同类工程中进行参考。
【Abstract】In Hekou County MengHe Railway Tunnel Construction， the irrigation area is large， the diversion canal number is large， so it need to construct a large number of small in-take dams， based on this， the paper discusses the method of this kind of retailing dam structure simplification and calculation optimization， to provide reference to relevant technical personnel in similar projects.
【关键词】小型重力坝；结构；设计；优化
【Keywords】small gravity dam； structure； design； optimization
【中图分类号】TV5 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0171-02
1 引言
蒙河鐵路项目规划新建Ⅰ级电气化铁路141.43㎞，设计时速120㎞/h，总投资83.4亿元。蒙河铁路项目在河口县境内段长63.932㎞，占路线全长的45%，其中隧道总长54.12㎞，占河口段全长的84.7%，总投资约37.7亿元，蒙河铁路河口段近85%段为隧道，2010年蒙河铁路河口段开工建设以来，沿线乡镇农场沿途村寨龙潭、泉眼、沼泽地水源流量逐年减小，甚至干涸。
工程项目内受影响缺水的灌溉片区，主要通过修建渠道从周边河流引水灌溉。本文主要针对灌溉片区内多座取水坝同时进行设计，提出减少水工专业设计工作量，避免不必要重复设计工作，进行结构及计算简化和优化的设计方法。
2 挡水坝结构设计
引水渠挡水坝建筑物主要由C15混凝土重力坝、坝面自由溢流和挑流消能、坝身输水管组成，根据重力坝的特点，采用坝身溢流的方式，保证挡水坝的蓄水排泄要求[1]。
2.1 防洪标准
根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99），河口县蒙河铁路隧道施工影响区供水工程，灌溉渠工程的等别为Ⅴ等，工程级别为5级，设计流量仅为0.001～0.215m3/s，并且取水坝下游无重要保护对象，因此，挡水坝采用10年一遇（P=10%）的设计洪水标准，20年一遇（P=5%）的校核防洪标准设计，以此确定挡水坝的工程等别仍为Ⅴ等，工程级别为5级，工程规模为小型。
2.2 结构尺寸设计
结合坝基工程地质条件、水文计算、取水渠首渠底高程及相关重力坝设计规范，坝顶宽度采用1.0 m和1.5m两种类型，迎水面坡比1：0.1，背水侧坡比1：0.6，坝高1.02～7.45m，最大坝基宽度5.97～8.895m。
2.3 溢流坝段设计
通过曲线方程计算下游直线段与曲线段的切点，然后根据上下游水位差和定型设计水头确定坝下游反弧半径为2m，并计算反弧曲线圆心，然后通过消能计算确定挑流角为25o比较合适。为防止小流量冲刷坝脚，在坝脚下游设短护坦工程，溢流面、导水墙为常态C20钢筋砼结构[2]。
灌区各挡水坝溢流坝段溢流堰布置为无闸开敞式自由溢流，溢流堰为实用堰，单孔布置。利用开敞式WES型实用堰泄流能力计算公式，由已知设计流量，将各挡水坝校核流量对应的堰上总水头控制在1.05～1.33m、1.58～2.00m和2.11～2.67m三个区间之内，通过试算法，来选定灌溉片区每个挡水坝的堰流净宽，分别采用2.0m、4.5m、5.0m、5.5m、7.5m、25.0m和26.0m比较合适，并做出对应的各挡水水坝水位—流量关系，因为属于小型挡水坝，为方便设计统一采用0.6m的坝顶超高设计，输水涵管采用Φ300mm的螺旋缝双面埋弧焊钢管，并设置型号SD341X-10的伸缩蝶阀控制。
2.4 挡水坝稳定计算及应力分析
2.4.1 坝体抗滑稳定计算
根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）第6.4款：坝体抗滑稳定计算主要核算坝基面滑动条件，应按抗剪断强度公式（6.4.1-1）或抗剪强度公式（6.4.1-2）计算坝基面的抗滑稳定安全系数。
2.4.3 结论
①经过取水坝的稳定性分析及地基应力分析，坝体沿坝基的抗滑稳定安全系数及坝基应力满足规范规定和坝基承载力的要求；
②坝基最大应力小于坝基全风化片麻岩、全风化板岩承载力[R] 0.18～0.25MPa，因属小型坝，各取水坝基础开挖至片麻岩、板岩全风化层即可，不需要对坝基进行特殊处理；
③由于坝高很小，坝体的工作水头不大，对应的防渗标准也较低，所产生的渗透压力较小，不必对坝基进行防渗处理。
3 结语
对于设计灌溉片区内小型重力溢流坝数量众多的工程项目，为减小坝体高度和减少下游堰堰面曲线的重复计算，优化坝体结构，可以使堰顶作用的最大水头Hmax分别控制在少数几个区间之内，这样小型重力溢流坝定型设计水头就能采用几个相同类型的数值，并结合坝的上下游坝坡，确定堰曲线；灌区各挡水坝溢流坝段溢流堰布置为无闸开敞式自由溢流，溢流堰为实用堰，单孔布置。
利用开敞式WES型实用堰泄流能力计算公式，由已知设计流量，将各挡水坝校核流量对应的堰上总水头控制在开始所选区间之内，通过试算法，来选定灌溉片区每个挡水坝的堰流净宽，并做出对应的各挡水水坝水位—流量关系；通过上述计算方法，可以解决灌溉片区内多座取水坝同时进行设计、计算制图烦琐的问题，避免不必要的重复设计工作，提高水工专业设计效率。
【参考文献】
【1】孙君森，林鸿镁.重力坝设计新思路[J].水利学报，2004，35（2）：62-67.
【2】孙君森，林鸿镁.最优重力坝设计[J].水力发电，2003，29（2）：16-19.
