坪底供水工程取水樞紐泄流方案設(shè)計(jì)

郭春玲

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

坪底供水工程取水樞紐泄流方案設(shè)計(jì)

郭春玲

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

依據(jù)坪底供水工程取水樞紐汛期洪量大、泥砂淤積嚴(yán)重的情況，在樞紐布置、底孔及溢流壩段設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式等方面采取措施，有效解決了水庫(kù)泄洪及沖砂的難題，保證了取水樞紐的的正常運(yùn)行。該工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐為類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。

取水樞紐；底孔壩段；溢流壩段；運(yùn)行方式；坪底供水工程

1 概況

坪底供水工程取水樞紐地處石樓縣境內(nèi)，屈產(chǎn)河中游坪底河段，壩址距下游裴溝鄉(xiāng)政府4.5 km，距屈產(chǎn)河入黃口25 km，距上游石樓縣城22 km。該水庫(kù)總庫(kù)容744萬m3，是一座以城鎮(zhèn)生活及工業(yè)供水為主，兼顧防洪的?。ㄒ唬┬退こ獭Ｋ畮?kù)建成后，每年為城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水650萬m3。該工程主要由擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段、消力池和取水泵站等建筑物組成。

2 問題的提出

屈產(chǎn)河徑流主要為大氣降水補(bǔ)給為主，河川水資源量相對(duì)豐富，年徑流年際變化較大，年平均徑流量為2 997萬m3，年最大年徑流為11 397萬m3（1977年），年最小年徑流為1 129萬m3（1986年）；年內(nèi)分配不均，汛期6～9月的徑流量占全年的75%，1、2月份僅占到4.3%左右。

通過頻率分析，坪底水庫(kù)供水工程30年和200年一遇的入庫(kù)洪峰流量分別為2 715 m3/s和5 235 m3/s；一日洪量分別為3 169萬m3和5 848萬m3。屈產(chǎn)河流域值較差，水土流失嚴(yán)重，經(jīng)復(fù)核：裴溝水文站實(shí)測(cè)最大輸沙量為5 020萬t（1977年），近年來發(fā)生的最大輸沙量為1 724萬t（2004年）。多年平均實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙量為661萬t，推移質(zhì)按懸移質(zhì)的20%考慮，為132萬t，則多年平均輸沙量為793萬t。因此，該工程需要解決以下2個(gè)問題：

一是該工程的設(shè)計(jì)和校核洪水分別為2 715 m3/s和5 235 m3/s，洪量大，但總庫(kù)容僅744萬m3，調(diào)蓄能力有限，洪水須及時(shí)宣泄。樞紐的泄流建筑物應(yīng)滿足此要求。

二是該水庫(kù)輸沙量為793萬t，懸移質(zhì)、推移質(zhì)干容重分別按1.25、1.5計(jì)算，則年入庫(kù)泥砂為616.8萬m3，一次洪水將淤滿整個(gè)庫(kù)容。如何有效地將泥砂從庫(kù)區(qū)排除是必須解決的問題。

3 主要工程措施

3.1 樞紐總布置

坪底水庫(kù)壩址位于山西省石樓縣裴溝鄉(xiāng)坪底村西約300 m屈產(chǎn)河上，河谷斷面呈“U”字型。河流流向?yàn)镹29°W，河谷寬20～40 m，主河槽由靠近左岸逐漸變?yōu)榭拷野叮瑝沃飞嫌斡野稙楹勇?，下游左岸為河漫灘；谷底高?07.5～809.5 m，兩岸山頂高程890～900 m，相對(duì)高差80～90 m。左岸為巖質(zhì)岸坡，岸坡上部坡度45～55°，下部坡度30～40°。右岸下部為巖質(zhì)岸坡，坡度35～40°，上部為土質(zhì)岸坡，坡度較緩。

根據(jù)該工程的地形特點(diǎn)，在樞紐布置上，為有利于泄洪排沙的要求，將擋水壩段布置在兩側(cè)靠近岸坡處，底孔、溢流壩段布置于中間部分。在靠近左岸主河槽處設(shè)2個(gè)底孔壩段，2底孔的中線與上游主河槽的軸線一致，便于將庫(kù)區(qū)泥砂沖走；該底孔為有壓泄流，其長(zhǎng)22.5 m。在底孔壩段的右側(cè)布置3個(gè)溢流壩段，其總長(zhǎng)度51 m，主要是宣泄洪水。在靠近左岸坡處布置2個(gè)擋水壩段，其總長(zhǎng)度35.65 m，右岸坡處布置1個(gè)擋水壩段長(zhǎng)度為19.45 m。該壩總長(zhǎng)度134.1 m，溢流及底孔壩段的長(zhǎng)度79 m，占總壩長(zhǎng)的59%。

3.2 底孔壩段

為便于泄洪排砂，在主河槽布置2孔沖砂底孔。依據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：橫縫間距15～20 m，并考慮該工程的具體情況，單個(gè)底孔壩段長(zhǎng)度取14 m。該水庫(kù)死水位為822.5 m，為將庫(kù)內(nèi)泥沙沖走，將底孔底板高程定位813 m。該沖砂底孔為有壓泄流底孔，斷面尺寸為6 m×6 m，兩側(cè)邊墻厚度各為2 m，底板水平，進(jìn)口段設(shè)平板檢修門，其進(jìn)口四周為1/4橢圓曲線，曲線末端設(shè)平板事故檢修門，出口接4.2 m壓坡段,坡度1∶6，壓坡段末端設(shè)弧形工作門，底孔全長(zhǎng)22.5 m，出口斷面尺寸6 m×5.3 m（寬×高）?？缀蟛荚O(shè)消力池。

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）附錄A.3.2，孔口泄流能力按公式（1）計(jì)算：

式中：Q——流量，m3/s；

AK——出口處的面積，m2；

Hw——自由出流時(shí)為孔口中心處的作用水頭，淹

沒泄流時(shí)為上下游的水位差，m；

μ——孔口或管道流量系數(shù)，對(duì)短有壓深孔取

0.83～0.93。

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 坪底供水工程洪水調(diào)節(jié)結(jié)果表

3.3 溢流壩段

溢流壩段位于底孔壩段的右側(cè)，樁號(hào)0+019.45～0+070.45，總長(zhǎng)度51.0 m，共分為3個(gè)壩段，單個(gè)壩段長(zhǎng)度從左到右分別為16 m、16 m、19 m。溢流孔采用開敞式實(shí)用堰，堰頂高程825.0 m，堰頂凈寬12 m×3 m。溢流堰上游面高程820.0 m以上為直立面，以下坡比1∶0.2；堰面曲線上游采用1/4橢圓弧，下游采用冪曲線，堰面曲線下設(shè)反弧圓曲線，圓弧半徑20 m，圓心角45°。冪曲線與反弧圓曲線之間以1∶1的坡面銜接。反弧圓曲線出口為消力池，其長(zhǎng)63.6 m，深4.5 m。

溢流堰等分為3孔，每孔凈寬12 m，各孔閘墩厚度為2.0 m，弧形鋼閘門控制，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟吊，閘門擋水深度7.5 m?；￠T上游側(cè)布設(shè)檢修疊梁門，閘墩頂部布設(shè)交通橋，橋面寬4.8 m。

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005），表孔的泄流能力按公式（2）計(jì)算：

式中：Q——流量，m3/s；

B——溢流孔凈寬，m；

Hw——溢流孔堰頂作用水頭，m；

g——重力加速度，m/s2；

m——流量系數(shù)，取值0.491；

C——上游面坡度影響修正系數(shù)；

ε——側(cè)收縮系數(shù)，取值0.93；

σs——淹沒系數(shù)，不淹沒時(shí)，取值1。

計(jì)算結(jié)果見表1。

計(jì)算表明，底孔壩段與溢流壩段的設(shè)計(jì)可滿足該工程的泄流要求。

3.4 水庫(kù)運(yùn)行方式

為了保證水庫(kù)的有效庫(kù)容，從排沙減淤角度出發(fā)，運(yùn)行方式確定為：水庫(kù)運(yùn)行考慮汛期和非汛期，汛期為6月～9月，主汛期為7、8月份，非汛期為當(dāng)年的10月至次年的5月；水庫(kù)非汛期按正常水位運(yùn)行，7、8月份空庫(kù)運(yùn)行；6、9月份盡量降低水位，降到汛限水位運(yùn)行。

4 結(jié)語

對(duì)于底孔壩段，加大底孔橫斷面尺寸，降低其底板高程，在泵站取水孔兩側(cè)對(duì)稱布置，可將庫(kù)內(nèi)泥砂盡可能多地沖走并宣泄洪水。但是，隨著洪量增加，大壩上下游水位差增加不多，底孔的泄量增加不大。因此，底孔沖砂可以，泄洪則作用能力不足。溢流表孔的泄流能力強(qiáng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們加大表孔的寬度，為此布置了3個(gè)溢流壩段，每個(gè)溢流壩段的溢流孔寬12 m，單個(gè)邊墻寬2 m；盡可能地降低堰頂高程。充分發(fā)揮溢流表孔的泄流能力。

該工程已于2015年12月份竣工驗(yàn)收，經(jīng)過2016年汛期洪水的考驗(yàn)，樞紐正常運(yùn)行，各壩段未出現(xiàn)異常；汛期洪水得到宣泄，壩前泥砂及時(shí)沖走。充分驗(yàn)證了樞紐布置和各壩段設(shè)計(jì)的合理性，該工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐可為類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。

TV671

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1004-7042（2017）10-0030-02

郭春玲（1978-），女，2006年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水工建筑專業(yè)，工程師。

2017-09-12；

2017-10-17