塘坎上水庫工程泄洪建筑物布置與結(jié)構(gòu)計算

周光臣

摘 要：結(jié)合塘坎上水庫壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，對泄洪建筑物整體布置和結(jié)構(gòu)體型進行了詳細分析和計算。結(jié)果表明：泄洪建筑物設(shè)計方案的表孔泄洪能力、溢流堰特征高程值設(shè)置、消能防沖等性能，均能滿足設(shè)計和規(guī)范要求，具有較好的泄流、消能和防沖刷效果。

關(guān)鍵詞：泄洪建筑物;溢流堰;挑流消能;塘坎上水庫

中圖分類號：TV653 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0091-03

Abstract： Combing with the topographic and geological conditions of dam site in Tangkanshang Reservoir， the overall layout and structure of the flood discharge buildings had been analyzed and calculated in detail. The demonstration results show that the performance of flood discharge building design scheme， such as surface flood discharge capacity， overflow manifold feature elevation setting， energy dissipation and impact protectioncan meet the requirements of design and specification. The flood discharge buildings have better effect of drainage， energy dissipation and anti-scour.

Keywords： flood discharge building;overflow weir;picking up energy dissipation;Tangkanshang reservoir

1 工程概況

塘坎上水庫位于甕安河干流中下游河段，擬選壩址位于黔南州甕安縣天文鎮(zhèn)高壩村大花山下游1km處的雙獅河段。水庫距縣城約28km，有鄉(xiāng)村公路位于庫區(qū)右岸，交通相對便利。水庫壩址控制集水面積787km2，主河道河長53.5km，河床平均比降8.45‰。水庫校核洪水位852.99m，總庫容6 705m3;水庫正常蓄水位848.00m，相應(yīng)庫容為5 527萬m3;水庫死水位816.00m，相應(yīng)庫容為1 182萬m3，興利庫容4 345萬m3。工程任務(wù)為工業(yè)供水及灌溉供水。供水受水區(qū)主要為甕安工業(yè)園區(qū)拓展區(qū)、甕安縣江界河鎮(zhèn)麻池村等5個村灌面。水庫設(shè)計年供水量11 380萬m3/a，其中甕安工業(yè)園區(qū)拓展區(qū)供水量10 750萬m3，灌溉供水量630萬m3。壩型為碾壓混凝土拱壩，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模屬中型。

2 項目建設(shè)的必要性

2.1 甕安工業(yè)園區(qū)拓展區(qū)用水困難亟待解決

隨著甕安工業(yè)園區(qū)拓展區(qū)入駐企業(yè)不斷增加和小城鎮(zhèn)擴大，城鎮(zhèn)供水和工業(yè)用水量將大幅度增加，現(xiàn)有的供水設(shè)施將無法保證供水。根據(jù)需水預(yù)測結(jié)果，甕安工業(yè)園區(qū)拓展區(qū)的工業(yè)最高日需水量為45.24萬m3/d，規(guī)劃拓展區(qū)供水規(guī)模46萬m3/d，其中拓展區(qū)中心區(qū)40萬m3/d，云中港口物流園區(qū)3萬m3/d，洗馬小區(qū)3萬m3/d。目前，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)無規(guī)?；泄┧O(shè)施，因此，為保證工業(yè)園區(qū)拓展區(qū)工業(yè)用水需求，急需尋求新的、可靠的水源點。

工業(yè)園區(qū)拓展區(qū)處于甕安河干流右岸，甕安河來水量大，就近可通過修建蓄水設(shè)施來滿足工業(yè)園區(qū)拓展區(qū)的用水需求。根據(jù)需水預(yù)測，塘坎上水庫的建設(shè)能解決甕安工業(yè)園區(qū)拓展區(qū)中心區(qū)、云中港口物流園區(qū)工業(yè)企業(yè)的工業(yè)用水問題。

2.2 農(nóng)業(yè)灌溉用水現(xiàn)狀亟待改善

農(nóng)業(yè)是江界河鎮(zhèn)的發(fā)展基礎(chǔ)，在江界河鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟中具有舉足輕重的作用。但根據(jù)實地調(diào)查，江界河鎮(zhèn)灌區(qū)分布高程較高，灌面分布較為分散，無較集中的灌面。灌區(qū)內(nèi)河流源短流細，且區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，地表、地下水滯蓄能力差，水資源量可供開發(fā)利用程度有限，因此，水利化程度和保證率不高，加之降雨年際、年內(nèi)分布不均，旱災(zāi)頻繁，耕地大多為靠天吃飯的“望天田”，無可靠的水源保證。灌區(qū)缺水屬工程性缺水，只有修建骨干型水源工程解決徑流在時空上再分布的問題，才能從根本上扭轉(zhuǎn)大面積農(nóng)田缺水的局面。

塘坎上水庫的建設(shè)可以有效地為江界河鎮(zhèn)生活用水及農(nóng)田灌溉提供強有力的保證，該水庫的建設(shè)勢在必行。

3 工程地形地質(zhì)條件

壩址位于左岸1號、2號和右岸5號、6號沖溝之間的雙獅峽谷口處，河流流向N10°～40°W，局部段轉(zhuǎn)變?yōu)镹20°～40°E，兩岸沖溝（負地形）一般發(fā)育，為深切峽谷地貌，呈對稱“V”型橫向谷，兩岸地形坡度45°～70°，局部為直立陡崖或倒懸山體，在茅口組（P2m）與棲霞組（P2q）地層界線之間，因茅口組（P2m）下部夾薄層硅質(zhì)灰?guī)r及少量硅質(zhì)頁巖，受構(gòu)造、風(fēng)化剝蝕作用，上部棲霞組（P2q）地層崩塌至河床后，形成了P2m/P2q界線之間的凹槽負地形。壩址區(qū)河谷結(jié)構(gòu)基本為橫向河谷，巖層傾上游偏右岸，產(chǎn)狀N40～60°E/SE∠55～65°，局部傾角近70°。壩址區(qū)無大的斷層、褶皺發(fā)育，主要構(gòu)造以裂隙為主，裂隙多以陡傾角卸荷、剪裂隙為主，偶見少數(shù)傾角小于40°的剪裂隙，裂隙走向垂直或者斜交河床，充填物主要為泥質(zhì)、巖屑、方解石。兩岸覆蓋層0～5m（局部可能覆蓋更深），強風(fēng)化厚3.0～8.0m，弱風(fēng)化厚9～16.0m，局部遇順層巖溶發(fā)育帶，風(fēng)化深度不均勻，局部加深;河床覆蓋層厚3.0～8.0m，強風(fēng)化厚2.0～3.0m，弱風(fēng)化厚8.0～9.0m。

4 泄水建筑物設(shè)計

4.1 溢洪道平面布置

塘坎上水庫大壩樞紐布置為碾壓混凝土雙曲拱壩+壩頂溢流表孔+壩身放空底孔+右岸岸邊式取水口。壩頂溢洪道前緣凈寬24m，采用閘孔溢流方式，堰頂高程840.00m，分3孔，每孔凈寬8.0m，分別設(shè)8.0m×8.5m的弧形鋼閘門。溢流堰為WES型實用堰，由上游面曲線、下游面曲線和下游反弧挑流消能段組成，總長25.770m。其中，上游面曲線采用的橢圓曲線方程如式（1）所示;下游面曲線方程如式（2）所示;下游采用反弧挑流消能，反弧半徑為9.0m，挑射角為15.0°，挑流鼻坎頂高程831.70m。

（1）

（2）

4.2 泄水建筑物計算

4.2.1 堰頂負壓計算。塘坎上水庫溢洪道宣泄校核洪水時，根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》（SL 282—2003）可得，[HsHmax]=0.77，則最大負壓值[hmaxHs]=0.45，則最大負壓值[hmax]=0.45×[Hs]=0.045MPa<（0.03～0.06）MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2.2 泄流能力計算。塘坎上水庫為設(shè)閘式泄洪，溢流堰為WES實用堰，壩頂表孔前緣凈寬24m，堰頂高程840.0m，分3孔，分別設(shè)8.0m×8.5m的弧形鋼閘門。溢洪道泄洪能力按開敞式WES實用堰自由出流計算，其泄流能力分析函數(shù)表達為[1]：

（3）

式中：[Q]為流量（m3/s）;[c]為上游堰坡影響系數(shù);[m]為流量系數(shù);[ε]為閘墩側(cè)收縮系數(shù);[σs]為淹沒系數(shù);[B]為溢流堰總凈寬;[H0]為計入行近流速水頭的堰上總水頭。

根據(jù)塘坎上水庫洪水調(diào)度方式，計算得各頻率下相應(yīng)的下泄流量計算成果，如表1所示。

從表1可知，發(fā)生1 000年一遇洪水（校核洪水）時，[Q實際]=2 332m3/s（[P]=0.1%）大于[Q設(shè)計]=2 250m3/s;發(fā)生100年一遇洪水（設(shè)計洪水）時，[Q實際]=1 617m3/s（[P]=0.1%）大于[Q設(shè)計]=1 590m3/s;發(fā)生30年一遇洪水時，[Q實際]=1 300m3/s（[P]=3.33%）大于[Q設(shè)計]=1 290m3/s。在各種頻率水位下，表孔泄洪量均大于水庫最大下泄流量，故表孔泄洪能力滿足設(shè)計要求。

4.2.3 溢流面水面線計算。為了設(shè)計閘墩高度、邊墻頂高程，以及選定弧形閘門門軸高程、弧門支鉸鉸心高程，需要知道溢洪道的水面曲線[2]。溢流堰坐標(biāo)系統(tǒng)以堰頂高程為原點，[X]軸水平指向下游為正，[Y]軸鉛直向下為正。堰頂水頭取[H]=7.49m，根據(jù)《水工設(shè)計手冊》P6-177～P6-181得出上游面及WES型堰面的水面線坐標(biāo)表如表2所示。

弧門支鉸中心坐標(biāo)為（10.839，-5.000），鉸心對應(yīng)的水面線坐標(biāo)為（10.839，-4.463）。水面線低于鉸中心高程0.54m，滿足水面以上安全超高0.5～1.5m的規(guī)范要求。

4.2.4 消能計算。表孔采用高鼻坎挑流，因溢流堰反弧段半徑較小，水流有可能無法形成挑流，故又進行了各級流量下的跌流消能計算[3]。經(jīng)計算得出的表孔挑流/跌流消能成果如表3所示。

從表3可以看出，在各種情況下，挑流消能沖坑后坡比滿足規(guī)范小于1∶3的要求，沖坑底部高程高于大壩建基面758.00m，且沖坑位置離大壩壩腳較遠，不會影響大壩安全。但從跌流消能的計算成果看，各工況下沖坑后坡比均大于1∶3的臨界狀態(tài)。為保護壩腳免受小流量洪水沖刷，決定在大壩下游設(shè)置鋼筋混凝土護坦，護坦緊接拱壩混凝土墊層，順河向長45m，橫河向?qū)?0～22m，厚2.0m，護坦頂部高程762.00m。為了減小或消除護坦下的滲透壓力，在底部鋪筑排水反選層，并在水平段后半部設(shè)置排水孔。為保證護坦的抗浮穩(wěn)定，護坦底部與基巖采用Φ25錨桿連接，錨桿深入基巖5m，呈梅花型布置，間排距均為2.5m。

5 結(jié)論

為確保塘坎上水庫大壩具有良好的泄流、消能和防沖刷效果，在可行性研究階段，優(yōu)化布設(shè)與水庫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)計計算優(yōu)選的泄洪建筑物平面布置方案、結(jié)構(gòu)體型及特征參數(shù)，均滿足規(guī)范和設(shè)計要求，具有較高的技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性，為工程順利施工建設(shè)提供了重要技術(shù)保障。

參考文獻：

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