清水河水庫(kù)擴(kuò)建工程泄洪建筑物布置與結(jié)構(gòu)計(jì)算

鄧凌云

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

清水河水庫(kù)地處尚嵇鎮(zhèn)清水村，距尚嵇集鎮(zhèn)8km，距遵義市城區(qū)63km，左右岸均有公路通至壩上，交通方便。水庫(kù)位于烏江一級(jí)支流魚(yú)塘河左岸一級(jí)支流清水河上，屬于長(zhǎng)江流域?yàn)踅?，壩址以上流域面積82.6km2。清水河水庫(kù)現(xiàn)狀供水任務(wù)僅為農(nóng)業(yè)灌溉兼顧集鎮(zhèn)人畜飲水，現(xiàn)狀供水能力有限，無(wú)多余水量為工業(yè)園區(qū)供水，缺水量達(dá)1037萬(wàn)m3/d，缺水率達(dá)到100%。水庫(kù)現(xiàn)狀庫(kù)容系數(shù)僅為8.5%，具備擴(kuò)建條件且具有供水能力較大、水質(zhì)優(yōu)良、運(yùn)行成本較低等優(yōu)勢(shì)。因此，通過(guò)合理擴(kuò)建工程建設(shè)，既能滿(mǎn)足集鎮(zhèn)及工業(yè)園區(qū)供水，又能滿(mǎn)足已成灌區(qū)灌溉用水，對(duì)優(yōu)化尚嵇集鎮(zhèn)供水水源結(jié)構(gòu)和保障尚嵇集鎮(zhèn)供水安全具有積極作用，對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有積極意義[1]。

2 工程現(xiàn)狀及開(kāi)發(fā)任務(wù)

清水河水庫(kù)于1966年12月動(dòng)工興建，1973年初主體工程完工投入使用，同年6月特大洪水沖毀溢洪道及干渠，直至1983年4月，修復(fù)完工投入運(yùn)行。運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)存在溢洪道底板多處沖壞、斷裂，大壩上游壩面護(hù)坡干砌塊石大面積塌滑、壩坡極不平整，大壩下游壩坡浸潤(rùn)滲漏、浸潤(rùn)面積及滲漏量逐年加大等問(wèn)題。2009年除險(xiǎn)加固工程完成，歷經(jīng)多個(gè)汛期蓄水檢驗(yàn)，水庫(kù)各樞紐建筑物整體運(yùn)行良好，未發(fā)現(xiàn)明顯損壞、變形等情況。水庫(kù)現(xiàn)狀總庫(kù)容462萬(wàn)m3，興利庫(kù)容266萬(wàn)m3，死庫(kù)容19.0萬(wàn)m3。

根據(jù)《遵義縣尚嵇鎮(zhèn)大壩工業(yè)園區(qū)總體規(guī)劃》，至2030年大壩工業(yè)園區(qū)新鮮水凈需水量為975萬(wàn)m3/a，毛需水量將達(dá)到1037萬(wàn)m3，而現(xiàn)狀清水河水庫(kù)主要以灌溉為主，兼顧集鎮(zhèn)人畜飲水，無(wú)多余水量為工業(yè)園區(qū)供水，缺水量為1037萬(wàn)m3/d，缺水率達(dá)到100%，區(qū)域用水缺口較大，工程性缺水問(wèn)題尤為突出。在配置水源中，清水河水庫(kù)作為區(qū)域水源配置的集鎮(zhèn)及工業(yè)園區(qū)主要供水水源，集鎮(zhèn)及工業(yè)園區(qū)供水量為1330萬(wàn)m3/a，結(jié)合清水河水庫(kù)現(xiàn)狀灌溉供水規(guī)模，初步確定清水河水庫(kù)在現(xiàn)壩址處擴(kuò)建至890.00m后，正常庫(kù)容1140萬(wàn)m3，興利庫(kù)容1077萬(wàn)m3，供水能力2050萬(wàn)m3/a，基本能夠滿(mǎn)足集鎮(zhèn)及工業(yè)園區(qū)供水，也能滿(mǎn)足灌溉用水(已成灌區(qū))。同時(shí)，清水河水庫(kù)擴(kuò)建工程已列入國(guó)務(wù)院批復(fù)的《貴州省水利建設(shè)生態(tài)建設(shè)石漠化治理綜合規(guī)劃》及《貴州省水利建設(shè)“三大會(huì)戰(zhàn)”實(shí)施方案(2013—2020年)》項(xiàng)目明細(xì)表中的中型水庫(kù)項(xiàng)目。

3 工程地形地貌及水文地質(zhì)條件

清水河水庫(kù)位于遵義縣城南東面尚嵇鎮(zhèn)清水村境內(nèi)清水河中游河段，庫(kù)區(qū)河流蜿蜒伸展，河流總體流向?yàn)镹25～60°E，呈長(zhǎng)條形展布，兩岸支溝密布，多以淺切、寬緩沖溝為主，沖溝多較短，僅庫(kù)區(qū)中尾段石家壩溝與黃土坎溝規(guī)模較大、延伸較長(zhǎng)；庫(kù)區(qū)河道無(wú)大的跌水，正常蓄水位890.00m時(shí)，廻水至彎角塘附近，廻水長(zhǎng)約5.2km，河床高程863～889m，平均比降3.0‰，庫(kù)區(qū)水面寬30～450m。受巖性及其結(jié)構(gòu)和侵蝕、溶蝕作用，庫(kù)區(qū)中尾部楊村灣至彎角塘段多形成橫切河向的山脊與山間溝谷、槽谷相間分布地形，山脊地形較陡，坡角一般在25～40°，局部大于60°，溝谷、槽谷則多寬緩；在庫(kù)區(qū)中部水淹氹、干洞、麻窩一帶地形多為較寬緩的緩丘溶谷地形，地形平緩。庫(kù)區(qū)內(nèi)出露地層主要有寒武系(∈)、二迭系(P)及第四系的沖積物(Qapl)及殘坡積物(Qedl)，此外，在庫(kù)區(qū)下游東南角和庫(kù)區(qū)東側(cè)還分布有三迭系(T)與奧陶系(O)地層。庫(kù)區(qū)位于翁家壩復(fù)背斜東翼，處于馬家寨斷層F2與郭家坳斷層F4之間，沙子坎斷層(F1)由西向北東斜切庫(kù)區(qū)前段。

4 泄水建筑物設(shè)計(jì)

4.1 溢洪道平面布置

清水河水庫(kù)擴(kuò)建后大壩為均質(zhì)土壩，泄水建筑物宜布置為岸邊開(kāi)敞式溢洪道。在左岸新建溢洪道，其中線布置順直，出露巖性為灰、淺灰色薄至中厚層白云巖夾泥質(zhì)白云巖，基礎(chǔ)條件較好，施工方便，出口遠(yuǎn)離下游壩腳，下泄洪水對(duì)大壩影響較小，不與其他建筑干擾。設(shè)計(jì)確定溢洪道布置在大壩左岸，包括引水渠、溢流段、泄槽段、消力池段，總長(zhǎng)340m。溢洪道平面布置，如圖1所示。

樁號(hào)0-060.0～0+000.0m段為溢洪道引水渠，底寬22.0m；0+000.0～0+012.0m為溢流堰段，溢流堰為WES實(shí)用堰，堰頂高程886.00m，溢流堰凈寬18m，共3孔，單孔寬6.0m；設(shè)3扇6×4m(b×h)弧形工作閘門(mén)；0+012.0～0+240.0段為泄槽段，底寬22～14m，其中0+022.0～0+072.0為收縮段，泄槽寬由22m收縮至14.0m；0+240.0～0+280.0段為消力池段，消力池寬14.0m，深3.3m，池長(zhǎng)40.0m，池底高程858.70m。

4.2 泄水建筑物計(jì)算

4.2.1泄流能力計(jì)算

清水河水庫(kù)擴(kuò)建后溢洪道為設(shè)閘式泄洪，溢流堰為WES實(shí)用堰，溢流控制凈寬18.0m，堰頂高程886.00m。溢洪道布置3孔，每孔凈寬6m。溢流堰的泄流能力分析函數(shù)表達(dá)為[2- 4]：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；c—上游堰坡影響系數(shù)，c=1.0；m—流量系數(shù)，取m=4.5；ε—閘墩側(cè)收縮系數(shù)，取0.92；σs—淹沒(méi)系數(shù)，取1.0；B—溢流堰總凈寬，B=18m；H0—計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭，由于清水河水庫(kù)實(shí)用堰堰高P1<1.33Hd(Hd為水頭)，為低堰。

根據(jù)清水河水庫(kù)洪水調(diào)度方式，按溢流堰分析得溢洪道泄流能力計(jì)算成果，見(jiàn)表1。

表1 溢洪道泄流能力計(jì)算成果

由表1可知，發(fā)生1000a一遇洪水(校核洪水)時(shí)，Q=464m3/s(p=0.1%)；發(fā)生50a一遇洪水(設(shè)計(jì)洪水)時(shí)，Q=309m3/s(p=2.0%)；發(fā)生30a一遇洪水(消能防沖洪水)時(shí)，Q=289m3/s(p=3.33%)。設(shè)計(jì)推薦的3孔6×4m(b×h)溢洪道，其泄水能力能夠滿(mǎn)足消能防沖、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況下的泄水需求，即：泄消能防沖洪、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水和20及5a一遇洪水時(shí)，3孔閘門(mén)均按全開(kāi)工況運(yùn)行。

4.2.2泄槽水面線計(jì)算

泄槽水面線根據(jù)SL 253—2018《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的能量方程，按照分段求和法進(jìn)行計(jì)算[5- 6]，即：

圖1 溢洪道平面布置

(2)

(3)

式中，ΔL1-2—分段長(zhǎng)度，m；h1、h2，v1、v2和α1、α2—分段始末斷面的水深，平均流速和流速修正系數(shù)(取1.05)；θ、i—泄槽底坡角度和坡比；j—分段平均摩阻系數(shù)；n—槽身糙率系數(shù)，取0.015；R—分段平均水力半徑，m。

由于泄槽與上游WES堰連接，泄槽水面線由泄槽首部起算，起始斷面水深h1按堰下收縮斷面水深計(jì)算[7，8]。泄槽分3段，其中：樁號(hào)0+012.00～0+022.00段槽寬為22.0m，底坡i=0.03，側(cè)墻高14.0～10.0m；樁號(hào)0+022.00～0+072.00為收縮段，末端槽寬為14.0m，底坡i=0.03，側(cè)墻高10.0～4.5m；樁號(hào)0+072.00～0+240.00為14m槽寬等寬段，底坡分別為0.03(0+072.00～0+154.00)、0.178(0+154.00～0+240.00)，側(cè)墻高3.6～10.0m。

溢洪道水面線計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

圖2 溢洪道水面線計(jì)算簡(jiǎn)圖

發(fā)生校核洪水時(shí)(P=0.1%)，校核洪水位891.53m，最大下泄流量Q=431m3/s。根據(jù)式(2)和圖2，計(jì)算得溢洪道泄水槽段起始斷面及各斷面水深與平均流速計(jì)算成果，見(jiàn)表2。

表2 溢洪道各斷面水深及流速成果

從表2計(jì)算成果可知，泄槽斷側(cè)墻高能夠滿(mǎn)足泄洪水深要求。

4.2.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

根據(jù)SL 253—2018《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：進(jìn)水渠段溢0-033.00～溢0+000.00段邊墻的荷載組合、堰體控制段溢0+000.00～0+012.00段荷載組合與泄槽段溢0+012.00～溢0+035.00相同。結(jié)合清水河水庫(kù)工程實(shí)際情況，選取4個(gè)基本工況和2個(gè)特殊工況進(jìn)行抗滑穩(wěn)定復(fù)核。

(1)基本組合①(完建情況)。自重+土壓力(壩體堆石或回填土石渣)。

(2)基本組合②(正常蓄水位情況)。自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+波浪壓力+土壓力+淤沙壓力。

(3)基本組合③(設(shè)計(jì)洪水位情況)。自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+波浪壓力+動(dòng)水壓力+土壓力+淤沙壓力。

(4)特殊組合①(施工情況)。自重+土壓力+施工臨時(shí)荷載。

(5)特殊組合②(校核洪水位情況)。自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+波浪壓力+動(dòng)水壓力+土壓力+淤沙壓力[9]。

堰體(側(cè)墻)抗滑穩(wěn)定分析按單寬1m計(jì)算，容重取γc=24kN/m3。經(jīng)分析，①進(jìn)水渠段左右側(cè)邊墻最不利斷面為：邊墻高13.5m，頂寬1.2m，底寬3.45m；堰體最大堰高取4.0m，底寬22.0m。②泄槽左側(cè)邊墻最不利斷面為：邊墻高4.75m，頂寬1.5m，底寬2.0m；泄槽段右側(cè)邊墻最不利斷面為：邊墻高5.25m，頂寬1.5m，底寬2.0m。③消力池段左右側(cè)邊墻最不利斷面為：邊墻高10.5m，頂寬1.5m，底寬2.5m。

由于進(jìn)水渠段、泄槽段溢和消力池段坐落地層均為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群e2-31s薄層白云巖、泥質(zhì)白云巖。根據(jù)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)提供的物理力學(xué)指標(biāo)：抗剪斷摩擦系數(shù)f'=0.40～0.45，抗剪斷凝聚力c'=0.24～0.27Mpa?？够€(wěn)定計(jì)算成果，見(jiàn)表3。

由表3可知，溢洪道基本組合工況下最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=3.03，發(fā)生在消力池左側(cè)邊墻，大于規(guī)范規(guī)定的[3.0]限值指標(biāo)；特殊組合工況下最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=2.59，發(fā)生在進(jìn)水渠左側(cè)邊墻，大于規(guī)范規(guī)定的[3.0]限值指標(biāo)。溢洪道結(jié)構(gòu)整體抗滑穩(wěn)定滿(mǎn)足規(guī)范要求，安全裕度較大。

5 結(jié)論

清水河水庫(kù)雖經(jīng)2009年除險(xiǎn)加固處理后，溢洪道功能得到有效恢復(fù)，但由于尚嵇鎮(zhèn)大壩工業(yè)園區(qū)建設(shè)，水庫(kù)供水能力明顯不足。水庫(kù)現(xiàn)狀庫(kù)容系數(shù)僅為8.5%，具備良好擴(kuò)建條件且具有供水能力較大、水質(zhì)優(yōu)良、運(yùn)行成本較低等優(yōu)勢(shì)。為確保擴(kuò)建后大壩具有良好地泄流、消能和防沖刷效果，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，優(yōu)化布設(shè)與水庫(kù)地形地貌和工程地質(zhì)相匹配的泄洪建筑物方案。論證分析和設(shè)計(jì)計(jì)算優(yōu)選的溢洪道平面布置及結(jié)構(gòu)體型，具有較高的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，為工程順利施工建設(shè)提供了重要技術(shù)保障。

表3 溢洪道結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果