曲靖市麒麟?yún)^(qū)新建發(fā)脈水庫樞紐工程設(shè)計(jì)

尹 蕾

(云南省曲靖市水務(wù)局 655000)

1 發(fā)脈水庫概況

發(fā)脈水庫位于曲靖市東南方向，東山鎮(zhèn)石頭寨村委會境內(nèi)，距曲靖市80km，距東山鎮(zhèn)25km，地處珠江流域西江水系南盤江支流篆長河上游，徑流面積2.9km2，總庫容111.70萬 m3，興利庫容89.84萬 m3，死庫容1.2萬m3，主要解決下游石頭寨村委會5611人的生活用水和412.4hm2的耕地灌溉任務(wù)，保護(hù)下游村莊、耕地、道路，是一座以人飲和灌溉為主，兼顧防洪的小(1)型水庫。工程等別為四等，大壩、輸水隧洞、溢洪道為4級建筑物，次要建筑物和臨時建筑物為5級建筑物。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)(水位2020.18m)，300年一遇洪水校核(水位2020.89m)，施工導(dǎo)流洪水按5年一遇設(shè)計(jì)，下游消能防沖設(shè)施洪水按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，渡汛洪水標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)。灌溉設(shè)計(jì)保證率P=75%，人飲供水保證率P=95%。

2 樞紐工程設(shè)計(jì)

2.1 樞紐工程總體布置

發(fā)脈水庫大壩為黏土心墻堆石壩，樞紐工程由大壩、輸水隧洞和溢洪道組成。壩軸線布置在距老壩軸線下游140m處，壩址呈“U”形河谷，地層連續(xù)，兩岸山體寬厚。壩基及左、右壩肩出露巖層為砂、粉砂巖，清除上部殘坡積層及風(fēng)化破碎帶后，能滿足壩體對壩基的抗滑、承載力等要求。溢洪道布置在大壩右岸，為開敞式正槽溢洪道，校核洪水位為2020.89m，設(shè)計(jì)洪水位為2020.18m，相應(yīng)下泄流量分別為19.7m3/s和12.39m3/s，全長189m。渠底采用C20混凝土、鋼筋混凝土澆筑，厚0.3m，邊墻采用M7.5漿砌石支砌，頂寬0.5m，底寬0.74～1.70m，高0.5～2.7m;輸水隧洞布置在大壩右岸，為直墻圓拱形鋼筋混凝土無壓隧洞，斷面尺寸(寬×高 ×拱矢 =1.5m×1.05m×0.75m)，全長203m，并設(shè)0.8m×0.8m平板鋼閘門工作閘和檢修閘各一道，允許最大過流 6.43m3/s，設(shè)計(jì)流量為0.5m3/s。

2.2 大壩設(shè)計(jì)

2.2.1 壩頂高程及壩高確定

大壩正常超高0.5m，非常超高0.3m。吹程D=0.4km;風(fēng)向與壩軸線夾角α=20°;上游干砌塊石護(hù)坡壩坡粗糙系數(shù)K=0.75。采用官廳水庫公式計(jì)算:波浪高度，2hc=0.0166Uf5/4D1/3(m);波浪爬高，hB=3.2k(2hc)tanα(m);正常應(yīng)用風(fēng)速采用平均最大風(fēng)速的1.5倍，V=15×1.5=22.5m/s;非常應(yīng)用風(fēng)速取平均最大風(fēng)速15m/s。

經(jīng)計(jì)算，正常應(yīng)用工況下波浪爬高為0.84m;非常應(yīng)用工況下波浪爬高為0.53m;正常蓄水位壩頂高程為2018.22+0.84+0.5=2019.56m;設(shè)計(jì)洪水位壩頂高程為2020.18+0.84+0.5=2021.52m;校核洪水位壩頂高程為2020.89+0.53+0.3=2021.72m;壩頂高程確定為 2021.44m，防浪墻高 0.9m，墻頂高程2022.34m。

大壩為黏土心墻堆石壩，壩高44.14m，壩頂高程2021.44m，壩軸線長154.12m，壩頂寬度5.0m，壩頂為泥結(jié)石路面。

2.2.2 大壩斷面尺寸及壩體填筑材料

上游壩面在2010.00m高程以上至坡頂坡比為1∶1.7，在2010.0m高程以下至1991.0m高程以上坡比為 1∶1.8，在 1991.0m 高程以下坡比為 1∶1.9，在1991m處設(shè)寬1.5m的戧臺;下游壩面在2010.00m高程以上至坡頂坡比為1∶1.5，在2010.00m高程以下至1991.0m高程以上坡比為1∶1.6，在1991.0m高程以下坡比為1∶1.7，在1991m、2010m處分別設(shè)寬1.5m的馬道各1條，上、下游壩坡為干砌石護(hù)坡。心墻頂寬3m，心墻軸線位于壩軸線偏向上游0.5m處，心墻上、下邊坡比為1∶0.2，底部做混凝土蓋板，厚0.35m，截槽上、下游為1∶0.5的邊坡，底部伸入基巖1.5m，底寬隨高程的變化改變，最少不小于3m，最大底寬16m。

大壩設(shè)計(jì)為黏土心墻堆石壩，心墻采用黏土料填筑，上下游壩殼采用堆石料填筑，堆石料設(shè)計(jì)干容重20kN/m3，滲透系數(shù) K1=1.0 ×10－2cm/s。過渡料滲透系數(shù)K2=1.0×10－2cm/s，反濾料滲透系數(shù)K3=1.0×10－3cm/s。心墻底部基礎(chǔ)面沿軸線做16m寬，0.35m厚的混凝土墊層，其余基礎(chǔ)面用C20混凝土補(bǔ)平。心墻防滲料設(shè)計(jì)干容重19kN/m3，滲透系數(shù)K4=3.77×10－6cm/s。填筑材料級配曲線如下圖所示。

壩體填筑材料級配曲線圖

2.2.3 防滲帷幕灌漿設(shè)計(jì)

a.防滲方案。發(fā)脈水庫在正常蓄水位以下存在中等透水層，厚度為15.0～25.5m，產(chǎn)生壩基及繞壩滲漏，經(jīng)計(jì)算，壩基滲漏量為4.01萬m3/年，繞壩滲漏量為9.3萬m3/年，總的滲漏量為13.31萬m3/年，占有效庫容的12.1%，需對壩基、壩肩進(jìn)行防滲處理。

b.壩基帷幕灌漿參數(shù)確定及工作量。防滲處理采用直線單排接地式帷幕，帷幕軸線偏向壩軸線上游0.50m，處理范圍為大壩壩基及兩壩肩段，帷幕線總長215m。灌漿孔間距確定為2.0m。帷幕深度5～32.62m?；鶐r透水率q≤10Lu。共布設(shè)帷幕灌漿鉆孔109個，鉆孔總進(jìn)尺3827m;灌漿總進(jìn)尺2451.6m，均為基巖;共布置檢查孔11個，鉆探進(jìn)尺383m。注水試驗(yàn)49段。

2.2.4 大壩穩(wěn)定校核

a.大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。滲流計(jì)算采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所AutoBank5.5程序計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，心墻下游滲透水力坡降2.79～9.27，必須設(shè)置反濾保護(hù)，其余壩基、壩體下游出逸點(diǎn)部位的滲透水力坡降0.02～0.11，滲流穩(wěn)定，無需設(shè)置倒濾體。

b.大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)與結(jié)果。大壩穩(wěn)定計(jì)算采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所HH－slope程序有效應(yīng)力—簡化畢肖普法計(jì)算。計(jì)算參數(shù)見下頁表。在18個工況下，壩坡穩(wěn)定計(jì)算系數(shù)均大于規(guī)范要求，其中，最小值設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期+7度地震系數(shù)為1.323，大于規(guī)范允許值【Kc】=1.10，最大值校核洪水位穩(wěn)定滲流期系數(shù)為2.017，大于規(guī)范允許值【Kc】=1.15。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用的物理力學(xué)指標(biāo)表

2.2.5 壩體沉降計(jì)算

壩體沉降變形計(jì)算采用分層總和法，沉降公式如式(1)。

式中 St——壩基總沉降量;

n——土層分層數(shù);

eio——第i層的起始孔隙比;

eit——第i層相應(yīng)于竣工時或最終的豎向有效應(yīng)力作用下的孔隙比;

hi——第i層的土層厚度。

計(jì)算時土層劃分為10層，計(jì)算結(jié)果:心墻的沉降量為152cm，但大部分沉降約70%在施工期間完成，剩余46cm，按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，土質(zhì)防滲體預(yù)留沉降量為最大壩高的1%，約44cm，因此，確定壩體預(yù)留沉降超高為50cm。

2.3 輸水隧洞設(shè)計(jì)

2.3.1 泄流量計(jì)算

當(dāng)水深大于閘門開度時采用式(2)計(jì)算，當(dāng)水深小于閘門開度時采用式(3)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果，庫水位2020.89m，開度 0.8m，泄流量 6.43m3/s，庫水位1991.00m，開度0.1m，泄流量0.13m3/s。

2.3.2 閘后無壓段水面線計(jì)算

無壓段水面線根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式見式(4)、式(5)。在校核洪水位情況下，無壓段水深為0.49～1.24m。最大凈空高度0.56m大于規(guī)范值0.4m，最小凈空面積大于隧洞斷面積的15%，滿足規(guī)范要求。

2.3.3 消能計(jì)算

采用等寬矩形斷面下挖式消力池消能，計(jì)算結(jié)果為消力池池長12m，池深1.5m，池寬2.0m。池深，d=σh2－h(huán)1－Δz;m。

消力池尾部出口水面跌落，ΔZ;m。

池長Lr=0.8×h1×9.5(Fr1－1)。

2.3.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

a.抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算。見式(6)，閘室的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=3.08＞［k］=2.3。

式中 Kc——沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載(包括閘室基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力在內(nèi))，kN;

∑H——作用在閘室上的全部水平向荷載，kN;

A——閘室基底面的面積，m2;

f'——閘室基底面與巖石地基之間的抗剪斷摩擦系數(shù);

C'——閘室基底面與巖石地基之間的抗剪斷黏聚力，kPa。

∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載，kN;

∑M——作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m;

A——閘室基底面的面積，m2;

W——閘室基底面對于該底面垂直水流方向水位形心軸的截面矩，m3。

c.巖基上啟閉塔抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算。見式(8)，K0=1.39＞［K］=1.3。

式中 K0——塔基抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù);

∑MV——對塔基前趾的抗傾覆力矩，kN·m;

∑MH——對塔基前趾的傾覆力矩，kN·m。

2.4 溢洪道設(shè)計(jì)

2.4.1 水力計(jì)算

a.泄流流量計(jì)算。溢洪道的泄流流量按滿足設(shè)計(jì)洪水和校核洪水調(diào)洪下泄流量確定，校核洪水下泄流量為19.7m3/s，堰上水位為2020.89m;設(shè)計(jì)洪水下泄流量為12.39m3/s，堰上水位為2020.18m。溢洪道堰頂高程為2018.22m，堰型為寬頂堰，為無閘控制，凈寬3m，其出流量按公式(9)計(jì)算。

式中，m——堰的流量系數(shù)，取m=0.34。

b.泄槽水力計(jì)算。以進(jìn)口為起點(diǎn)經(jīng)水面曲線計(jì)算求得第一段陡坡末端水深為0.50m，流速14.12m/s;第二段陡坡末端水深為0.49m，流速14.41m/s。

c.消力池尺寸。消力池設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按P=5%時的調(diào)洪下泄流量進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量為11.09m3/s，底流消能，經(jīng)計(jì)算，躍前水深，h＇=0.30m，躍后水深 h″=2.90m;水躍長，Lj=17.95m;消力池長，Lk=14.36m;消力池深度，σh2=1.05×2.90=3.05m;池后水深，ht=1.5m，Δz=0.22m;消力池挖深，S=3.05－1.5－0.22=1.35m。消力池長取15m，池深取2m。

2.4.2 穩(wěn)定復(fù)核

a.邊墻穩(wěn)定計(jì)算。邊墻抗滑穩(wěn)定系數(shù)K =∑fW/∑P，【Kc】=1.05，巖體為Ⅳ類，f=0.7。取陡坡段邊墻壁進(jìn)行計(jì)算:邊墻自重W=2.36t/m;作用滑動面上的法向分量 Wp=2.36cosθ;Wp=2.36cos25°10'=2.36×0.905=2.13t;作用滑動面上的切向分量P=2.36sinθ=2.36sin25°10'=2.36 ×0.425=1.0t;K=0.7×2.13/1=1.49＞【Kc】=1.05，滿足穩(wěn)定要求。

b.底板抗滑穩(wěn)定計(jì)算。泄槽段底板抗滑穩(wěn)定的計(jì)算選擇在第一陡坡段的最不利位置。

式中 K——抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

f——底板混凝土與基巖接觸面的抗剪斷磨擦系數(shù)，取0.8;

∑W——作用于底板上的全部荷載對計(jì)算滑動面的法向分力;

∑P——作用于底板上的全部荷載對計(jì)算滑動面的切向分力。

經(jīng)計(jì)算，K=1.69＞【1.2】，滿足穩(wěn)定要求。

3 結(jié)語

發(fā)脈水庫樞紐工程設(shè)計(jì)，在詳細(xì)的水文、地質(zhì)約束條件下，通過周全的水力和結(jié)構(gòu)計(jì)算，大壩、輸水隧洞、溢洪道穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)安全。發(fā)脈水庫于2010年7月正式實(shí)施，至今未發(fā)生工程變更，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。