夾巖水庫(kù)泄洪消能建筑物布置與結(jié)構(gòu)計(jì)算

(1.貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550081； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利水電科學(xué)研究院，陜西 楊凌 712100)

1 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程是國(guó)務(wù)院納入規(guī)劃建設(shè)的172項(xiàng)重大水利工程之一，也是貴州省水利建設(shè)“三大會(huì)戰(zhàn)”的龍頭項(xiàng)目，貴州水利建設(shè)“一號(hào)工程”。這是一項(xiàng)以城鄉(xiāng)供水和農(nóng)田灌溉為主要任務(wù)、兼顧發(fā)電的綜合性大型水利樞紐工程，工程壩址位于烏江左岸一級(jí)支流六沖河中游畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)和納雍縣界河段[1-2]。夾巖水庫(kù)正常蓄水位1323m，總庫(kù)容13.23億m3，壩后電站裝機(jī)容量9萬(wàn)kW，設(shè)計(jì)灌溉面積90.03萬(wàn)畝，總供水人口267萬(wàn)。夾巖水庫(kù)屬峽谷型水庫(kù)，河谷基本呈對(duì)稱V形，左、右岸均較陡，河谷形態(tài)完整性較好。水庫(kù)大壩為混凝土面板堆石壩，為Ⅰ等大(1)型工程。面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、放空洞、消能防沖設(shè)施建筑物等級(jí)為1級(jí)。圖1為壩址上下游立視圖。

圖1 壩址上下游立視圖

夾巖水庫(kù)壩址處河谷狹窄，洪水峰高，水位變幅較大。高壩總和河谷狹窄緊密聯(lián)系在一起，通常大壩越高，壩址處河谷也越狹窄，這對(duì)于壩高154m的夾巖水庫(kù)混凝土面板堆石高壩而言，溢洪道布置十分困難。峽谷型高壩方案設(shè)計(jì)，除了要考慮建壩河段河勢(shì)、地形、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)和施工等因素外，泄洪建筑物的合理布置及結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化也是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[1]。為確保大壩泄洪建筑物方案與工程地形地質(zhì)具有較好的適應(yīng)性，結(jié)合地質(zhì)勘探揭露情況，從泄洪建筑物平面布置、泄流能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面進(jìn)行詳細(xì)論證分析，確保岸邊溢洪道與泄洪洞組合運(yùn)用泄洪方式具有良好泄洪消能效果，為大壩樞紐綜合布置優(yōu)化提供技術(shù)支撐[2]。

2 泄洪建筑物工程地質(zhì)條件

溢洪道擬布置在左壩肩斜坡上，水平總長(zhǎng)530m，由引渠段、控制段、泄槽段及挑流消能段等組成，開(kāi)挖底寬33m，堰頂高程1285.00m。溢洪道邊坡地形坡度30°～42°，開(kāi)挖后左側(cè)(后緣)邊坡高20～90m，局部段大于100m，為中高邊坡。溢洪道沿線基巖多裸露，覆蓋層厚0～3m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度基巖面以下8～13m。溢洪道由上游至下游依次穿越巖性為T1f2-3-3薄—中厚層泥質(zhì)粉砂巖、T1f2-3-2中厚層細(xì)砂巖、T1f2-3-1泥質(zhì)粉砂巖夾細(xì)砂巖、T1f2-2薄—中厚層泥質(zhì)粉砂巖與細(xì)砂巖互層、T1f2-1-2中厚層灰?guī)r和T1f2-1-1薄—中厚層細(xì)砂巖夾薄層泥灰?guī)r。巖體屬于中硬巖類。巖層走向N40°～47°E/NW∠24°～31°，巖層傾向溢洪道上游，走向線與溢洪道方向近于直交，兩側(cè)邊坡為層狀結(jié)構(gòu)，斜向巖質(zhì)邊坡，邊坡未發(fā)現(xiàn)大的不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，自然邊坡整體穩(wěn)定。

泄洪隧洞布置在壩址左岸，隧洞進(jìn)口位于潘家?guī)r腳沖溝左岸，出口位于溢洪道下游。泄洪隧洞身長(zhǎng)約806m，隧洞凈空斷面6.2m×8.84m，埋深20～145m。隧洞依次穿越地層為T1f2-3-3紫紅色、灰色薄—中厚層泥質(zhì)粉砂巖，T1f2-3-2細(xì)砂巖，T1f2-3-1紫紅色薄—中厚層泥質(zhì)粉砂巖夾薄層細(xì)砂巖，T1f2-2薄—中厚層泥質(zhì)粉砂巖與細(xì)砂巖互層，T1f2-2中厚層灰?guī)r，T1f2-1薄—中厚層細(xì)砂巖夾灰?guī)r，T1f1薄—中厚層粉砂質(zhì)泥巖夾細(xì)砂質(zhì)，巖質(zhì)屬中硬巖。巖層產(chǎn)狀310°～315°∠24°～30°，巖層走向與隧洞洞線近于直交。隧洞除進(jìn)出口洞段外，隧洞圍巖均處于微—新鮮狀態(tài)，位于地下水位之下。

3 泄洪建筑物聯(lián)合泄洪布置

夾巖水庫(kù)混凝土面板堆石壩方案樞紐總布置為混凝土面板堆石壩+左岸邊溢洪道+泄洪洞+放空洞+右岸發(fā)電引水系統(tǒng)及壩后電站。其中，泄洪建筑物采用溢洪道與泄洪隧洞相聯(lián)合的組合運(yùn)用泄洪布置方案，為1級(jí)建筑物。

3.1 溢洪道與泄洪洞的泄洪比例

設(shè)計(jì)計(jì)算論證分析表明，若泄洪洞參與泄洪，溢洪道前緣寬度可由32m減少到24m，減少25%泄洪寬度，除可大大降低溢洪道工程投資外，還可減小岸邊式溢洪道開(kāi)挖邊坡高度，降低溢洪道整體施工難度和工程風(fēng)險(xiǎn)。

不同泄洪組合方案其調(diào)洪目的是不致對(duì)水庫(kù)淹沒(méi)造成大的影響。設(shè)計(jì)在選定溢洪道和泄洪隧洞聯(lián)合泄洪方案基礎(chǔ)上，優(yōu)選三種方案對(duì)兩個(gè)泄洪建筑物的泄洪規(guī)模進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，以確定兩者間合適泄洪比例。經(jīng)防洪調(diào)算，方案一：泄洪洞短洞尺寸(出口寬×高=5m×5m)+溢洪道3孔(寬×高=9m×12m)；方案二：泄洪洞短洞尺寸(出口寬×高=5.50m×6m)+溢洪道3孔(寬×高=8m×12m)；方案三：泄洪洞短洞尺寸(出口寬×高=6m×7m)+溢洪道3孔(寬×高=7m×12m)。

經(jīng)方案比較分析，方案二技術(shù)可行、投資最省，同時(shí)考慮壩區(qū)潘家?guī)r崩塌體處理、庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定，以及內(nèi)水對(duì)面板的破壞影響，適當(dāng)延緩水庫(kù)放空時(shí)間，設(shè)計(jì)優(yōu)選方案二，即：最大下泄流量3350m3/s，泄洪洞分?jǐn)偙壤秊?8.03%(接近30%)，泄洪工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性均較優(yōu)。

3.2 泄洪建筑物平面布置

溢洪道布置在大壩左岸，為岸邊式溢洪道，由引渠段、控制段、泄槽段及挑流消能工等組成，水平總長(zhǎng)約399.13m，軸線方位角為NW33.964°。引渠段長(zhǎng)度90.48m，底板高程1307.00m?？刂贫伍L(zhǎng)度26m，堰型采用實(shí)用堰型式，堰高4m，堰頂高程為1311.00m，溢流凈寬24m，設(shè)3扇8m×12m的弧形工作閘門。泄槽段總長(zhǎng)260.06m，起始點(diǎn)高程1299.80m，末端高程1239.01m，樁號(hào)0+026.00～0+130.58底板縱坡為i=0.03，樁號(hào)0+146.93～0+283.93底板縱坡為i=0.395，不同縱坡底板間由拋物線段連接[3]。泄槽斷面為矩形，底板寬30m。出口挑流段長(zhǎng)度24.75m，挑流鼻坎半徑30m，挑角25°，挑流鼻坎末端高程1239.75m。

泄洪隧洞布置在左岸，由岸塔式進(jìn)水口、洞身段、出口段三部分組成。岸塔式進(jìn)水口段長(zhǎng)度33.42m，進(jìn)口底板高程1265.00m，塔頂高程1329.00m，塔高64m，塔身平面尺寸為18m×28.26m(長(zhǎng)×寬)，進(jìn)口設(shè)5.50m×8m平面檢修門與5.50m×6m弧形工作閘門各1扇；洞身段為無(wú)壓隧洞段，軸線方位角NW32.886°，長(zhǎng)度820.42m，隧洞為凈空斷面尺寸為6.20m×8.59m的城門洞形；出口段采用挑流消能，反弧半徑60m，挑射角25°，挑流鼻坎高程1246.02m。泄洪建筑物平面布置見(jiàn)圖2。

4 泄洪建筑物設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 溢洪道水力學(xué)計(jì)算

4.1.1 堰面曲線

堰面曲線采用冪曲線，其表達(dá)為

Xn=KHdn-1y

(1)

式中Hd——定型設(shè)計(jì)水頭，m，設(shè)計(jì)取Hd=11.50m(Hd取堰上最大水頭的76.36%，滿足65%～85%要求)；

n=1.85；

K=2。經(jīng)計(jì)算得冪曲線方程為y=0.06272x1.85。原點(diǎn)上游采用三圓弧曲線，冪曲線典型坐標(biāo)見(jiàn)表1。

圖2 泄洪建筑物平面布置

表1 冪曲線典型坐標(biāo)單位：m

4.1.2 溢流堰穩(wěn)定性分析

溢洪道溢流堰為實(shí)用堰型，其抗滑穩(wěn)定按整體抗滑進(jìn)行考慮，所受荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、動(dòng)水壓力等[4]。揚(yáng)壓力折減系數(shù)按0.5考慮。溢流堰基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 溢流堰抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

由表2可以看出，溢流堰在各種荷載組合條件下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K均大于規(guī)范要求值3.0和2.5，溢流堰結(jié)構(gòu)整體抗滑穩(wěn)定性較好。

4.1.3 泄流能力計(jì)算

根據(jù)夾巖水庫(kù)洪水調(diào)度方式，溢洪道泄流計(jì)算公式為

(2)

式中H——堰上水頭，m；

n——閘孔口數(shù)量，n=3；

b——閘孔凈寬，m，b=8m；

ε——側(cè)收縮系數(shù)；

m——流量系數(shù)。

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，泄洪隧洞參與泄洪后，校核工況下溢洪道最大下泄流量為2431m3/s，設(shè)計(jì)工況下最大下泄流量為2007m3/s。由式(2)計(jì)算可知，溢洪道在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)最大泄流量為2104m3/s，在校核洪水位時(shí)最大泄流量為2521m3/s，均大于洪水調(diào)節(jié)計(jì)算下泄流量，泄流能力滿足泄洪要求，溢洪道孔口尺寸選擇合理。

4.1.4 泄槽邊墻高度及出口消能分析

溢洪道在校核洪水位情況下泄槽內(nèi)摻氣水深為5.19～3.25m，取安全超高為1.50m。綜合考慮后，泄槽邊墻高度設(shè)計(jì)取值為7～5.50m。

溢洪道消能采用等寬連續(xù)式挑流鼻坎消能，當(dāng)水庫(kù)最高洪水位為1326.01m時(shí)，溢洪道最大泄洪流量為2431m3/s，鼻坎高程為1239.75m，挑射角θ為25°，鼻坎末端寬度為30m，單寬流量為81.03m2/s，下游河床高程為1208.00m，相應(yīng)水位為1241.38m。計(jì)算結(jié)果表明：最大沖坑深度為15.77m，最大挑距為113.24m，沖坑后坡比為0.139，沖坑后坡比滿足規(guī)范要求。設(shè)置護(hù)坦后，沖坑不會(huì)危及溢洪道挑流鼻坎和面板堆石壩下游坡腳的安全。

4.1.5 下游消能區(qū)防護(hù)

混凝土面板堆石壩方案采用岸邊敞開(kāi)式溢洪道和泄洪洞聯(lián)合泄洪，消能型式為連續(xù)鼻坎挑流消能，水流由挑流鼻坎挑入下游河床。泄洪沖刷區(qū)主要在壩腳以下150m范圍內(nèi)，下伏基巖為T1f1薄—中厚層粉砂質(zhì)泥巖夾細(xì)砂巖，為較軟巖夾中硬巖類。強(qiáng)風(fēng)化巖體為主要沖刷區(qū)，抗沖系數(shù)K=1.80，巖體抗沖能力差。由于泄洪最大下泄流量為2431m3/s，能量較大，對(duì)下游基巖沖擊力也較大，為抵抗泄洪時(shí)巨大水流沖擊，采用C30鋼筋混凝土護(hù)坦進(jìn)行防護(hù)，護(hù)坦底板高程1208.00m，底板厚1.50m，末端設(shè)齒槽。消能防沖(P=1%)下泄水流最大挑距為101.90m，設(shè)計(jì)工況(P=0.2%)下泄水流最大挑距為110.03m，校核工況(P=0.02%)下泄水流最大挑距為113.24m，為兼顧設(shè)計(jì)校核工況取消能護(hù)坦長(zhǎng)度為110m。為防止下泄水流對(duì)左岸坡的沖刷引起岸坡巖體失穩(wěn)，采用C30鋼筋混凝土護(hù)岸，護(hù)岸墻頂高程為1242.00m。鑒于校核工況(P=0.02%)最大下泄流量為2431m3/s，對(duì)泄洪沖刷區(qū)將會(huì)形成巨大沖擊，為使后期泄洪沖坑的形成不致影響挑流鼻坎整體穩(wěn)定性，增設(shè)挑流鼻坎護(hù)腳關(guān)門墻，采用地質(zhì)鉆機(jī)造孔(φ300鉆孔，孔深10m)，孔內(nèi)采用C30細(xì)石鋼筋混凝土填筑，封閉關(guān)門墻可有效防止泄洪沖坑對(duì)挑流鼻坎的影響。

4.2 泄洪洞水力計(jì)算

4.2.1 隧洞進(jìn)口泄流能力計(jì)算

根據(jù)計(jì)算，泄洪洞進(jìn)口采用有壓短洞布置形式，短洞出口采用設(shè)置頂部壓板[5]，壓坡1∶4。經(jīng)分析，下游水位不影響隧洞過(guò)流能力。泄洪洞過(guò)流能力按閘孔自由出流計(jì)算，計(jì)算公式為

(3)

式中Q——隧洞過(guò)流能力，m3/s；

μ——流量系數(shù)，根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》，此處μ=0.862；

B——隧洞進(jìn)口處凈寬，m，此處B=5.5m；

H——隧洞出口底板高程與上游庫(kù)水位間的高度，m；

ε——弧形閘門安裝垂直收縮系數(shù)，此處ε=0.895；

e——泄洪時(shí)隧洞閘孔開(kāi)啟高度，m，此處e=6m。

經(jīng)計(jì)算得水位低于1271.00m后，泄洪洞進(jìn)口短洞不能形成有壓流，因此，泄洪洞最低運(yùn)行水位為1271.00m。水庫(kù)水位從1311.00m下降到1271.00m總共需要13.4天。

4.2.2 進(jìn)水口穩(wěn)定性分析

隧洞底板及邊墻設(shè)置30cm厚的C40HF粉煤灰混凝土，隧洞外側(cè)均采用C30鋼筋混凝土襯砌?；炷林囟圈胏=24kN/m3，與基巖接觸面f′=0.70、c′=0.5MPa。按照抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算得到進(jìn)水口抗滑穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)(見(jiàn)表3)。

表3 泄洪洞抗滑和抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)

由表3可知，正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位工況抗滑穩(wěn)定系數(shù)K′大于3，校核洪水位工況抗滑穩(wěn)定系數(shù)K′大于2.50，滿足規(guī)范要求。正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位工況抗浮穩(wěn)定系數(shù)Kf大于1.1，校核洪水位工況抗浮穩(wěn)定系數(shù)Kf大于1.05，滿足要求。泄洪洞進(jìn)口整體抗滑穩(wěn)定性較好。

4.2.3 無(wú)壓隧洞邊墻高度確定

無(wú)壓隧洞段底寬取6.2m，其水力計(jì)算參照溢洪道泄槽計(jì)算方法。根據(jù)水力學(xué)計(jì)算，深孔閘后洞內(nèi)無(wú)壓的流速很大，一般都要考慮因水流摻氣而增加的水深，以得到設(shè)計(jì)隧洞高度。泄洪洞校核洪水位情況水面線計(jì)算成果表明：隧洞校核洪水位情況下泄槽內(nèi)摻氣水深5.03～6.60m。無(wú)壓隧洞邊墻高度=摻氣水深+超高，隧洞直墻超高Fb取為0.10m, 隧洞側(cè)墻高度為H=ha+Fb=6.6+0.1=6.70m，故取隧洞直墻高度為6.80m。

4.2.4 出口消能計(jì)算

隧洞出口消能初擬采用等寬連續(xù)式挑流鼻坎消能，泄洪洞的最高運(yùn)行水位為水庫(kù)校核水位1326.01m，此時(shí)隧洞最大泄流量為939.19m3/s，鼻坎高程為1246.02m，挑射角θ為25°，鼻坎末端寬度為6.20m，單寬流量為151.48m2/s，下游河床高程為1206.64m，相應(yīng)水位為1241.38m。最大沖坑深度為32.54m，最大挑距為62.501m，沖坑后坡比為0.521，沖坑后坡比滿足規(guī)范要求，需對(duì)下游河道及兩岸坡進(jìn)行必要的防護(hù)。

5 結(jié) 論

a.泄洪建筑物采用“溢洪道+泄洪隧洞”的組合運(yùn)用泄洪布置方案，溢洪道和泄洪洞均布置在大壩左岸。調(diào)洪論證分析表明：泄洪洞參與泄洪，可縮小溢洪道寬度，減小開(kāi)挖邊坡高度，對(duì)降低施工難度和控制投資均有利。設(shè)計(jì)優(yōu)選的組合泄洪方案技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理。

b.泄洪洞短洞尺寸(出口寬×高=5.5m×6m)與溢洪道3孔(寬×高=8m×12m)聯(lián)合泄洪，最大下泄流量3350m3/s，泄洪洞分?jǐn)偙壤秊?8.03%(接近30%)，泄流能力滿足要求。

c.泄洪消能建筑物采用連續(xù)鼻坎挑流消能，水流由挑流鼻坎挑入下游河床，各工況下消能效果良好。