平正水庫泄洪消能建筑物布置與結構設計

劉文龍,張 靜

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

平正水庫壩址位于遵義市播州區(qū)平正鄉(xiāng)紅心村境內(nèi)，距平正鄉(xiāng)集鎮(zhèn)6 km，距遵義市城區(qū)63 km。水庫位于長赤水河右岸三級支流田壩溝上，壩址以上流域面積1.96 km2。工程所在地區(qū)屬于赤水河流域，降雨屬較低值區(qū)。區(qū)域屬典型喀斯特巖溶地貌，落水洞、洼地、漏斗等微地貌相當發(fā)育，蓄水條件差，地表水漏失嚴重。地表水系極不發(fā)育，且區(qū)域集雨面積小，水資源蘊含量較少，同時石漠化嚴重，植被覆蓋率較差，土壤涵養(yǎng)水源能力差[1-2]。受限于特殊的地形地質條件，區(qū)域內(nèi)水源奇缺，且水利工程配套設施不完善，一直缺乏具有可靠供水保證的蓄水工程全面保障飲水安全，資源性及工程性缺水狀況突出。水庫供水區(qū)為平正鄉(xiāng)集鎮(zhèn)區(qū)及周邊農(nóng)村，至2030年供水區(qū)缺水量達0.164萬m3/d。因此，通過在田壩溝上修建平正水庫，建成后水庫供水能力0.153萬m3/d，考慮再生水回用等可滿足供水區(qū)安全用水需求。平正水庫為平正鄉(xiāng)唯一骨干供水水源，屬民生水利工程。水庫建設凸顯“水系民生、水系小康、水系和諧”的現(xiàn)代水利理念，對保障平正集鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村人飲安全具有積極作用。

2 工程開發(fā)任務

根據(jù)《平正鎮(zhèn)總體規(guī)劃(2015—2030年)》，到2030年規(guī)劃水平年集鎮(zhèn)區(qū)人口為12 000人，現(xiàn)狀平正鄉(xiāng)僅有黑腳巖水廠供水，日供水量僅260 m3/d。隨著集鎮(zhèn)規(guī)模的擴大和集鎮(zhèn)人口的迅速增加，集鎮(zhèn)用水將急劇增加，同時黑腳巖提水工程水質污染安全隱患也將極大地威脅居民飲水安全，不宜再作為集中式供水水源。至2030年供水區(qū)缺水量為0.164萬m3/d，缺水率達100%，人飲缺水量較大，工程性缺水問題尤為突出。由于供水區(qū)屬典型喀斯特地貌，巖溶特別發(fā)育，在田壩溝上修建平正水庫，具唯一性和不可替代性。結合平正鄉(xiāng)供水規(guī)劃和需水預測，確定平正水庫正常蓄水位1139.00 m，正常庫容55.4萬m3，興利庫容47.6萬m3，供水能力55.8萬m3/a(0.153萬m3/d)，考慮再生水回用等可滿足遠期規(guī)劃水平年(2030年)平正鄉(xiāng)集鎮(zhèn)區(qū)12 000人口及周邊205人農(nóng)村居民的生活用水需求且略有富余，具有供水保證率高、水質優(yōu)良等優(yōu)勢。同時，平正水庫已列入《貴州省鄉(xiāng)鄉(xiāng)有穩(wěn)定供水水源規(guī)劃》、《貴州省水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》、《遵義市“十三五”水務發(fā)展規(guī)劃》，也是《播州區(qū)平正鄉(xiāng)集鎮(zhèn)區(qū)及周邊農(nóng)村供水規(guī)劃》報告中規(guī)劃為平正鄉(xiāng)的唯一骨干供水水源，屬民生水利工程，符合優(yōu)先實施城鎮(zhèn)供水和特別缺水地區(qū)水源工程的思路。

3 庫區(qū)工程地質條件

平正水庫位于田壩槽谷南側的田壩溝下游河段，庫身由主河道及右岸支溝蔣家溝、曾家溝等組成，正常蓄水位1139.00 m時主河道廻水長約0.667 km，支溝廻水長約0.420 km，庫水面寬40～180 m，為不規(guī)則的“人”字型展布。主河流在壩址下游約300 m處進入田壩溝落水洞(K1)。庫區(qū)左岸山體寬厚，無單薄的低矮埡口分布，左岸發(fā)育有半溝鄰谷及新寨溝鄰谷；右岸沖溝發(fā)育，地形完整性稍差；在庫尾石板坡發(fā)育一低矮埡口，鞍部高程1142.00 m，比正常蓄水位高3.00 m。水庫庫盆主要出露三迭系下統(tǒng)夜郎組(T1y)及第四系(Q)地層，庫區(qū)南東側及北部分布有寒武系(∈)、奧陶系(O)、二迭系(P)及三迭系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)地層。庫區(qū)未見大的斷層構造發(fā)育，巖層單斜，地層延續(xù)性較好。庫區(qū)范圍內(nèi)可溶巖與碎屑巖相間分布，其中可溶巖約占70%，巖性以灰?guī)r、白云巖為主，碎屑巖類次之，地下水類型主要以碳酸巖類裂隙溶洞水為主，碎屑巖基巖裂隙水次之，松散堆積層孔隙水僅在河谷及緩坡零星分布。

4 泄水建筑物設計

4.1 泄洪表孔結構布置

平正水庫大壩為堆石混凝土重力壩，泄洪建筑物布置于大壩中段，為開敞式表孔泄洪。堰型為WES實用堰，堰頂高程1139.00 m，溢流壩段凈寬10.00 m，共2孔，單孔寬5.00 m。泄洪表孔結構布置如圖1所示。

圖1 泄洪表孔結構布置示意圖

溢流面由上游面1∶1斜坡段和圓弧曲線、下游面曲線、泄槽直線段和反弧段、底流消能段組成，總長43.13 m。為滿足溢流表孔抗沖磨和結構要求，其溢流堰面采取C25鋼筋混凝土澆筑，溢流頭采用C20混凝土澆筑，橋墩采用C25鋼筋混凝土澆筑，消力池底板及邊墻均采用C25鋼筋混凝土澆筑；孔頂布置6.0 m寬的工作橋連接大壩兩端，橋面高程為1141.00 m，采用C25鋼筋混凝土梁板結構。

4.2 泄水建筑物計算

4.2.1 堰面水面線計算

為了設計溢洪道邊墻高度，根據(jù)能量方程采用分段計算[3]，計算公式如下：

(1)

式中：z0為水位差，m；v0、v、φ、h和hw分別為計算斷面的行進流速，m/s;平均流速,m/s;流速修正系數(shù)(取0.95);計算水深,m;堰面能量損失,m。

經(jīng)計算，在校核下泄洪水流量時(P=0.5%校核洪水位1140.39 m，24 h校核洪水洪量39.4萬m3)，溢洪道堰面各樁號水深及流速計算成果如表1所示。

表1 溢洪道各斷面水深及流速計算成果

4.2.2 泄流能力計算

表孔堰頂高程1139.00 m，堰型為WES實用堰，單孔溢流寬度5.00 m。溢流堰泄流能力計算公式為[4-5]：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；m為流量系數(shù)，取0.479～0.486；ε為閘墩側收縮系數(shù)，取0.92；σs為淹沒系數(shù)，不淹沒時取1.0；B為表孔總凈寬，B=10.00 m；H0為未計入行進流速水頭的堰上總水頭，m。

根據(jù)平正水庫洪水調度方式，按實用堰分析得表孔過流能力計算成果，如表2所示。

表2 表孔過流能力計算成果

從表2可知，溢流表孔在三種工況條件下的泄流能力均能滿足設計下泄流量要求，且略有富余，表孔結構尺寸設計合理。

4.2.3 消力池底板抗浮穩(wěn)定計算

消力池長10.00 m、底寬11.00 m、厚1.00 m，底板高程為1112.50 m，為滿足抗沖耐磨要求，采用C25鋼筋混凝土澆筑。出水渠將消力池出水順引至下游河道中，出水渠長27.50 m，寬11.00 m，底板坡降i=0.005。為了滿足抗浮穩(wěn)定要求，確保消力池結構安全，在消力池混凝土與地基之間設Φ25、間排距3.00 m、單根長4.50 m的梅花形錨桿，錨入基巖4.00 m。根據(jù)《溢洪道設計規(guī)范》(SL 253—2018)，消力池底板抗浮穩(wěn)定復核計算公式為[6]：

(3)

式中：P1、P2和P3分別為消力池自重、消力池頂面上的時均壓力和采用錨固措施的地基有效重量，t；Q1、Q2為消力池頂面上的脈動壓力和底面上的揚壓力，t。

消力池抗浮穩(wěn)定計算成果，如表3所示。

表3 消力池抗浮穩(wěn)定計算成果

由表3可知，在各種運行工況下(未考慮底板排水孔作用)，消力池底板的抗浮穩(wěn)定最小安全系數(shù)為2.22，大于規(guī)范規(guī)定的Kf=1.00～1.20；滿足規(guī)范要求。消力池結構整體抗浮穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，安全裕度較大。考慮到消力池基巖面與底板間的揚壓力較小，底板可不設排水孔。

5 結 論

(1)平正集鎮(zhèn)供水區(qū)至規(guī)劃水平年2030年缺水量0.164萬m3/d，缺水率達100%。供水區(qū)特殊的喀斯特地形地貌和地質條件，修建平正水庫具唯一性和不可替代性。平正水庫設計供水能力0.153萬m3/d，考慮再生水回用等可滿足供水區(qū)居民生活用水需求且略有富余，具有供水保證率高、水質優(yōu)良等優(yōu)勢。

(2)泄洪建筑物布置在大壩中段，論證分析和設計計算采用的開敞式表孔泄洪方案，泄洪潛力大且增加壩高較小，各工況下泄流能力均滿足設計下泄流量要求，具有較高的技術可行性和經(jīng)濟優(yōu)越性。

(3)泄洪建筑物采用底流消能方式，經(jīng)出水渠將消力池出水順引至下游河道中，各工況下消力池抗浮穩(wěn)定性好、消能防沖效果好。