山西省和順縣戀思水庫(kù)溢洪道工程選址及設(shè)計(jì)

劉黎明

(山西省晉中市水利建筑工程總公司，山西晉中 030600)

1 工程概況

戀思水庫(kù)工程是以工業(yè)和城市生活供水為主，同時(shí)兼顧灌溉與防洪等綜合利用的中型水庫(kù)。

工程分樞紐工程和供水工程兩大部分。樞紐工程主要由大壩、溢洪道和泄洪隧洞三大件組成，設(shè)計(jì)壩型為均質(zhì)土壩，壩高30．3 m，庫(kù)容1 600 萬(wàn) m3，為中型水庫(kù)。

2 方案比選

可研階段對(duì)溢洪道的布置進(jìn)行了左、右岸分別布置方案的比選，最后確定溢洪道布置在大壩左岸。水利廳對(duì)《可研報(bào)告》的審查意見(jiàn)為“溢洪道位于大壩右岸，為開(kāi)敞式溢洪道，全長(zhǎng)290．5 m，最大泄量299．52 m3/s，采用梯形斷面，底板及側(cè)墻均采用混凝土襯砌，出口采用挑流消能，溢洪道開(kāi)挖量大，下階段進(jìn)一步比較側(cè)槽式方案，根據(jù)運(yùn)用要求，合理確定堰頂高程，優(yōu)化溢洪道布置”。

根據(jù)《可研報(bào)告》審查意見(jiàn)，本階段對(duì)溢洪道規(guī)模進(jìn)行了復(fù)核，經(jīng)復(fù)核仍維持原工程規(guī)模。本次設(shè)計(jì)對(duì)左、右岸方案又進(jìn)行了進(jìn)一步的比選，并增加了側(cè)槽式方案的比選。

2．1 左、右岸方案比選

左、右岸的地形、地質(zhì)條件均適宜修建溢洪道。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，左岸布置為土基溢洪道，需全斷面襯砌，而且和順縣氣溫較低，溢洪道襯砌需進(jìn)行防凍設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)比較，左岸溢洪道軸線(xiàn)全長(zhǎng)460 m，比右岸溢洪道長(zhǎng)170 m，而且彎道段較長(zhǎng)，水力條件較右岸差;出口水流如果順直，流向主河槽，溢洪道軸線(xiàn)將更長(zhǎng);左岸溢洪道將會(huì)增加改線(xiàn)公路的長(zhǎng)度;左岸溢洪道工程直接投資比右岸溢洪道多130萬(wàn)元。綜合考慮地形、地質(zhì)和投資，確定溢洪道布置方案為右岸開(kāi)敞式溢洪道。

2．2 側(cè)堰溢洪道方案

根據(jù)水利廳對(duì)可研報(bào)告的審查意見(jiàn)，初設(shè)階段需進(jìn)一步比較側(cè)槽式方案。

根據(jù)水力計(jì)算，側(cè)堰溢洪道進(jìn)口堰頂高程為1 349 m。從地形圖上布置側(cè)堰溢洪道來(lái)看:如果側(cè)堰進(jìn)口堰高為現(xiàn)狀基巖，則與泄洪洞進(jìn)口布置相互影響;如果側(cè)堰部分堰高采用人工砌筑，進(jìn)口布置向下游偏移，則側(cè)堰進(jìn)口離大壩壩腳太近，影響大壩安全。經(jīng)過(guò)綜合分析比較，側(cè)堰溢洪道對(duì)該工程不適合。

3 溢洪道布置

溢洪道布置在泄洪洞與右壩頭之間，中心軸線(xiàn)距右壩頭16 m，梯形斷面，邊坡為1∶0．5。主要由引渠段、緩坡段、泄槽段、挑流段和尾水渠組成，底寬12 m，全長(zhǎng)412 m，溢洪道布置有兩個(gè)彎道段，基礎(chǔ)均坐落在新鮮基巖上。溢洪道相應(yīng)水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位(p=2%)1 352 m和校核洪水位(p=0．1%)1 354．1 m的泄量分別為123．6 m3/s和 300 m3/s。

3．1 水力計(jì)算

根據(jù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算，多年調(diào)節(jié)正常水位為1 349 m(相應(yīng)庫(kù)容947萬(wàn)m3)，將其作為溢洪道的進(jìn)口底高程，亦即溢洪道進(jìn)口底板高程為1 349 m。

3．1．1 溢洪道水面線(xiàn)推求

校核洪水位時(shí)，溢洪道最大泄量為300 m3/s。

首先，計(jì)算陡坡起點(diǎn)處臨界水深hk，計(jì)算公式:

其中，α為動(dòng)能修正系數(shù)，取α=1;WK為斷面面積，WK=(12+0．5hk)hk;Bk為水面寬度，Bk=12+0．5hk;Q為溢洪道最大泄量，Q=300 m3/s。

然后以陡坡起點(diǎn)高程為基準(zhǔn)面，求其他斷面水深，基本能量方程為:

其中，Ek為陡坡起點(diǎn)處斷面能量，m;Hi為所求斷面底板至陡坡起點(diǎn)處的高差，m;hi為所求斷面水深，m;Vi為所求斷面流速，m/s;hwi為所求斷面至陡坡起點(diǎn)處斷面之間的能量損失，所求斷面位于陡坡起點(diǎn)處，斷面下游時(shí)為正值，上游時(shí)為負(fù)值。

經(jīng)計(jì)算，各斷面主要成果見(jiàn)表1。

表1 水面線(xiàn)計(jì)算成果表

3．1．2 消能計(jì)算

溢洪道采用挑流消能方式。

1)校核洪水位情況。

a．尾水位計(jì)算。

尾水渠為梯形斷面，底寬20 m，根據(jù)均勻流計(jì)算公式，求出尾水渠的水深為2．5 m。

b．反弧半徑R及挑射角。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，反弧半徑R按下式進(jìn)行計(jì)算:

其中，hc為鼻坎面上收縮水深，可按下式進(jìn)行計(jì)算:

經(jīng)計(jì)算，hc=0．92，則反弧半徑 R=(3．68 ～9．2)m，根據(jù)實(shí)際情況，取反弧半徑為10．94 m。采用挑射角θ=37°。

c．挑流射程計(jì)算。

計(jì)算水舌內(nèi)線(xiàn)和外線(xiàn)的流速系數(shù)值:

取 φ2=1．16φ1=1．16 ×0．8=0．93。

則沖刷坑最深點(diǎn)到建筑物基礎(chǔ)的距離為:

經(jīng)計(jì)算，內(nèi)線(xiàn)射程為36 m，外線(xiàn)射程為48 m。

d．沖刷深度。

用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可能的沖刷深度:

則 i=t/Lt=0．24 ＜0．25(安全后坡)，能滿(mǎn)足要求。

2)設(shè)計(jì)洪水位。

采用上述方法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為:挑流外線(xiàn)射程為33．42 m，沖坑深度為7．354 m，安全后坡為i=0．148。

為了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，建議下階段做溢洪道水工模型試驗(yàn)。

3．2 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溢洪道為河岸開(kāi)敞式，不設(shè)閘門(mén)。經(jīng)布置，溢洪道全長(zhǎng)412 m，其各部位結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)述如下:

1)引渠段。

0+000 m～0+040 m段為溢洪道引渠段，根據(jù)地形和水流條件，進(jìn)口為喇叭口，底高程為1 349m，底寬12 m，兩側(cè)邊坡1∶0．4;根據(jù)地形該段設(shè)彎道，軸線(xiàn)半徑為160 m，開(kāi)挖斷面采用C20混凝土噴漿處理，噴漿混凝土厚10 cm，設(shè)φ6的鋼筋網(wǎng)和φ18的錨筋與基巖連接，鋼筋網(wǎng)間距25 cm×25 cm，錨筋長(zhǎng)1 m，間距1 m×1 m，呈梅花形布置。

2)緩坡段。

0+040 m～0+222 m為緩坡段，長(zhǎng)182 m，其中0+108 m～0+218 m為彎道段，軸線(xiàn)半徑為130 m。底縱坡1/1 000，梯形斷面，底寬12 m，兩側(cè)邊坡為1∶0．4，底板襯砌0．4 m厚的C25混凝土，側(cè)墻襯砌0．3 m厚的C25混凝土，側(cè)墻內(nèi)側(cè)設(shè)一寬度為1．0 m的平臺(tái)，平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝。底板高程由1 349m降至1 348．82m，側(cè)墻頂高程由1 354．40 m降至1 353．82 m。底板及側(cè)墻底部均設(shè)Φ25的錨筋，錨筋間距為2 m×2 m，埋深1．5 m，呈梅花形布置。左側(cè)墻襯砌以上開(kāi)挖基巖斷面采用C20混凝土噴漿處理，噴漿混凝土厚10 cm，設(shè)φ6的鋼筋網(wǎng)和φ18的錨筋與基巖連接，鋼筋網(wǎng)間距25 cm×25 cm，錨筋長(zhǎng)1 m，間距1 m×1 m，呈梅花形布置。

3)泄槽段。

0+222m～0+277．5m為泄槽段，底縱坡1/3，水平投影長(zhǎng)度55．5 m，其中:0+222 m～0+262 m為梯形斷面，底寬12 m，兩側(cè)邊坡為 1∶0．4，0+262m ～0+277．5 m 段為漸變段，斷面由梯形漸變?yōu)榫匦巍６钙露蝹?cè)墻首端頂高程1 353．82 m，末端頂高程1 332．92 m，側(cè)墻內(nèi)側(cè)設(shè)一寬度為1．0 m的平臺(tái)，平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝。該段采用C30混凝土襯砌，底板襯砌厚0．4m，側(cè)墻厚0．3m。按構(gòu)造配筋，底板及側(cè)墻均設(shè)置Φ25的錨筋，間距為1．5 m×1．5 m，埋深2 m，呈梅花形布置。

4)挑流段。

0+277．5 m～0+284．5 m為挑流消能段，矩形斷面，底寬12 m。底板及側(cè)墻均采用C30混凝土襯砌，挑流消能采用連續(xù)重力式鼻坎，鼻坎寬12 m，反弧半徑10．94 m，挑射角37°，鼻坎頂高程1 330．32 m，鼻坎頂部設(shè)鋼板護(hù)角，側(cè)墻襯砌設(shè)Φ25錨筋，錨筋間距1．5 m×1．5 m，埋深2m，底板及齒墻設(shè)Φ25錨筋，錨筋間距1 m×1 m，埋深4 m，呈梅花形布置。

另外不滿(mǎn)足側(cè)墻高度要求的部分，采用M7．5漿砌石砌筑。漿砌石迎水面采用C30混凝土襯砌，厚0．3 m。

5)尾水渠段。

根據(jù)水力計(jì)算，尾水渠底寬20 m，從樁號(hào)0+284．5 m到0+315 m底寬由12 m擴(kuò)散到20 m，其中0+284．5后做20 m的C20混凝土護(hù)坦，尾水渠段從樁號(hào)0+325m到0+365m段設(shè)彎道，彎道半徑為100 m。尾水渠段除護(hù)坦底板外其余斷面均采用C20混凝土噴漿處理，噴漿混凝土厚10 cm，設(shè)φ6的鋼筋網(wǎng)和φ18的錨筋與基巖連接，鋼筋網(wǎng)間距25 cm×25 cm，錨筋長(zhǎng)1m，間距1m×1 m，呈梅花形布置。

6)地基與邊坡處理、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

由于整個(gè)溢洪道坐落在基巖上，溢洪道最大開(kāi)挖高度約40 m，開(kāi)挖坡度覆蓋層 1∶1、強(qiáng)風(fēng)化基巖 1∶0．75、弱風(fēng)化基巖 1∶0．4。沿邊坡高度方向每10 m左右設(shè)一條2 m寬平臺(tái)，并在平臺(tái)上設(shè)30 cm×30 cm(深×寬)的排水溝，排水溝形式為矩形槽，坡度根據(jù)地形分別為向上、下游，將水流排入上下游河道即可。整個(gè)噴漿邊坡設(shè)排水孔，與排水溝形成排水系統(tǒng)，排水孔徑100mm，間距2 m，梅花形布置，最下一排泄水孔高于溢洪道邊墻1 m。

溢洪道底板上共設(shè)置25道橫縫和2道縱縫;縱橫縫均采用652型橡膠止水，底板縱橫縫下部均設(shè)有相互連通的縱橫向排水溝，排水溝內(nèi)設(shè)置φ200的無(wú)砂混凝土管，由縱向排水通過(guò)挑流鼻坎排至下游河道。

4 吉祥溝洪水

吉祥溝控制流域面積約2．8 km2，為土石山區(qū)，p=2%的洪峰流量 12．2 m3/s，洪量為 26 萬(wàn) m3。

吉祥溝出口與溢洪道和泄洪洞尾水渠相交，為了避免吉祥溝洪水對(duì)建筑物造成威脅，此次設(shè)計(jì)在泄洪洞右側(cè)修建漿砌石攔洪堤，將吉祥溝洪水?dāng)r入泄洪洞尾水渠下游，通過(guò)泄洪洞尾水渠將吉祥溝洪水送入下游河道。

5 結(jié)語(yǔ)

1)經(jīng)過(guò)綜合分析比較，側(cè)堰溢洪道對(duì)該工程不適合。2)綜合考慮地形、地質(zhì)以及投資，最終確定溢洪道布置方案為右岸開(kāi)敞式溢洪道。