大斗水庫泄洪消能建筑物布置與結(jié)構(gòu)計算

楊堂坤 龍慧

摘 要：溢洪道作為重要的防洪調(diào)洪建筑物，合理確定泄水建筑物結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制泄洪流量對保障水庫安全穩(wěn)定運行尤為重要。針對大斗水庫V形橫向谷特點，本文結(jié)合混凝土面板堆石壩樞紐布置方案，根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 253—2018），對溢洪道整體布置和結(jié)構(gòu)體形的設(shè)計方案展開詳細(xì)計算和論證分析。結(jié)果表明，在大壩右側(cè)埡口處布置岸邊不設(shè)閘開敞式溢洪道的方案合理，結(jié)構(gòu)參數(shù)和泄流能力均滿足相關(guān)規(guī)范要求，各工況下消能和防沖刷效果良好。

關(guān)鍵詞：溢洪道;泄水建筑物;消力池;大斗水庫

中圖分類號：TV653文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0088-03

Abstract： Spillway is an important flood control and flood regulation structure， it is particularly important to reasonably determine the structural parameters of the discharge structure and control the discharge flow to ensure the safe and stable operation of the reservoir. In view of the characteristics of the V-shaped horizontal valley of Dadou Reservoir， this paper combined the layout plan of the concrete face rockfill dam， and according to the "Specification for Spillway Design" （SL 253—2018）， carried out detailed calculation and demonstration analysis of the overall layout and structural shape of the spillway. The results show that， the plan of arranging an open spillway without gates on the bank in the right pass of the dam is reasonable， the structural parameters and discharge capacity meet the requirements of relevant specifications， and the energy dissipation and anti-scouring effects are good under various working conditions.

Keywords： spillway;discharge structure;stilling basin;Dadou Reservoir

大斗水庫位于黎平縣水口鎮(zhèn)余家壩村，距黎平縣城42.0 km，距貴陽市358 km。壩址位于洪洲河一級支流下溫河上，屬長江流域沅江水系。壩址以上集水面積為46.0 km2，主河道河長為18.96 km，主河道平均坡降為10.24‰。工程任務(wù)為城鄉(xiāng)供水及農(nóng)業(yè)灌溉，水庫正常蓄水位為498 m，相應(yīng)庫容為1 032萬m3，死水位為462 m，死庫容為31.3萬m3。樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、右岸開敞式溢洪道、右岸取水兼放空建筑物等共同組成。工程規(guī)模屬中型，工程等別為Ⅲ等。

1 工程開發(fā)任務(wù)

大斗水庫工程是一項綜合性水利工程，水庫總庫容為1 189萬m3，其主要任務(wù)是鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水、灌溉、農(nóng)村人畜供水。工程建成后，可解決黎平縣洪州鎮(zhèn)、順化鄉(xiāng)的集鎮(zhèn)供水問題，為沿線提供灌溉用水，提高灌區(qū)內(nèi)農(nóng)村供水保證率，總供水量為1 358萬m3/a。根據(jù)設(shè)計水平，可向黎平縣洪州鎮(zhèn)、順化鄉(xiāng)2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水319萬m3/a，設(shè)計保證率為95%;向1 385 hm2耕地供水989萬m3/a，設(shè)計保證率為80%;提供灌區(qū)內(nèi)農(nóng)村用水量50萬m3/a;下放環(huán)境水量262萬m3/a。為滿足供水、灌溉要求，本工程供水流量設(shè)計為0.174 m3/s，灌溉流量設(shè)計為1.752 m3/s。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

水庫壩址河谷為較對稱的V形橫向谷，谷底寬為75.0 m，平水期水位為449.4 m，水深為0.2～0.5 m，河床高程為448.9～449.6 m，河流流向為N10.7°W。在正常蓄水位498.0 m高程的條件下，河谷寬為194.5 m，寬高比為3.71。左岸山體較雄厚，右岸山體受河道轉(zhuǎn)彎及沖溝、埡口等切割影響較單薄，主要為侵蝕、剝蝕中低山及河谷地貌。壩址出露的地層巖性主要有第四系殘坡積層、沖洪積層、崩塌堆積體、板溪群拱洞組。壩址位于摩天嶺背斜南西翼、己樹向斜北東翼，未發(fā)現(xiàn)大斷層，壩址段巖層傾該段河道下游偏左岸，產(chǎn)狀N15°～45°E/NW∠20°～40°，總體為單斜構(gòu)造，層狀結(jié)構(gòu)。主要發(fā)育的裂隙有四組。受巖性及構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

巖體風(fēng)化主要受節(jié)理裂隙及地形控制，有以下兩個特點：兩岸坡風(fēng)化深度比河床大，主要為裂隙性風(fēng)化;因沖溝發(fā)育，地形破碎，山脊水平風(fēng)化深度較大。壩址地下水類型主要為覆蓋層孔隙水及基巖裂隙水，水量較小，地下水主要在強、弱風(fēng)化帶巖體的節(jié)理裂隙中運移，隨著地形的抬升，水力比降呈逐漸變緩的趨勢，地下水位高于河水位，地下水補給河水。

3 泄水建筑物設(shè)計

3.1 溢洪道平面布置

大斗水庫大壩為混凝土面板堆石壩，泄水建筑物為岸邊開敞式溢洪道，消能方式為底流消能。溢洪道布置于大壩右側(cè)埡口處兼擋水作用，由引渠段、控制段、調(diào)整段、漸變段、陡坡泄槽段、消力池組成，溢洪道縱向、橫向每15 m設(shè)置結(jié)構(gòu)伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)止水。溢洪道平面布置如圖1所示。

3.1.1 引渠段。溢流堰上游引渠底板高程為480 m，底寬為30 m，采用C20素混凝土澆筑，厚為0.3 m。引兩岸邊坡以1∶0.5坡度放坡至高程494 m平臺，494 m高程以上兩岸結(jié)合地形設(shè)置導(dǎo)墻引水，導(dǎo)墻間最小距離為63 m（溢流堰寬度）。

3.1.2 控制段?？刂贫斡梢缌鞑糠峙c非溢流部分組成，總寬為93 m。其中，溢流段為無閘控制的開敞式溢流堰，寬為63 m，由三個寬1 m中墩（橋墩）隔為四孔，每孔寬為15 m，溢流堰凈寬為60 m。溢流堰基礎(chǔ)高程為470 m，堰頂高程為498.0 m，溢流堰采用WES實用堰，溢流堰體采用C25混凝土，堰頂下游的堰面曲線為[y=0.246x1.85]，后接1∶0.7坡度直線段，末端為半徑為10 m的反弧段，反弧末端底部高程為482.0 m。

3.1.3 調(diào)整段與漸變段。調(diào)整段長為15 m，寬為63 m，而后接漸變段，漸變由63 m收縮至30 m，長為35 m，收縮角為25.2°，側(cè)墻邊墻高度為3 m，縱向坡度為1∶100，采用C35混凝土澆筑。

3.1.4 陡坡泄槽段。陡坡泄槽段水平長度約為58.5m，寬為30 m，邊墻高為2 m，底板厚為1 m，采用C40混凝土，縱向坡度1∶1.2，以拋物線形式接于漸變段之后，拋物線曲線為[y=x2/64.88]。

3.1.5 消力池。泄力池采用半徑為4 m的反弧段與陡坡泄槽段末端相接，反弧段流速為28 m/s。消能方式采用底流消能，池長為35 m，消力池底板高程為445.0 m，邊墻高度為8 m，底板厚度為2 m，采用C40混凝土。

3.2 泄水建筑物計算

3.2.1 泄流能力計算。大斗水庫溢洪道為不設(shè)閘式泄洪，堰型為實用堰，堰面曲線采用WES冪曲線。溢洪道為開敞式，根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 253-2018），泄流能力計算公式為[1-2]：

式中，[Q]為流量，m3/s;[B]為溢流堰總凈寬，[B]=60 m;[H0]為計入行近流速水頭的堰上總水頭，m;[c]為上游堰坡影響系數(shù)，[c]=1.0;[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);g為重力加速度，m/s2。

其中，[ε]用公式可以表示為：

式中，[ζK]為邊墩形狀系數(shù)，取0.1;[ζo]為中墩形狀系數(shù)，取0;[n]為閘孔數(shù)目，個;[b]為單孔寬度，m。

根據(jù)大斗水庫洪水調(diào)度方式，分析得溢洪道泄流能力計算成果，如表1所示。

從表1可知，發(fā)生1 000 a一遇洪水（校核洪水）時，[Q]=559 m3/s（[P]=0.1%）;發(fā)生50 a一遇洪水（設(shè)計洪水）時，[Q]=288 m3/s（[P]=2.0%）;發(fā)生30 a一遇洪水（消能防沖洪水）時，[Q]=244 m3/s（[P]=3.33%）。三種工況下，溢洪道的計算可下泄流量均不小于設(shè)計下泄流量，溢洪道泄流能力滿足要求，擬定的溢流堰寬合適。

3.2.2 泄槽水面線計算。泄槽水流為非均勻漸變流，泄槽水面線根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 253-2018）中的能量方程，用分段求和法進(jìn)行設(shè)計計算[3]，即

式中，[q]為泄槽單寬流量，m3/（s·m）;[H]為起始計算斷面渠底以上總水頭，m;[g]為重力加速度，m/s2;[φ]為起始計算斷面流速系數(shù)，取0.95;[θ]為泄槽底坡坡角，本工程泄槽首端坡度[tanθ]=1∶100。

經(jīng)計算，在處于校核洪水位（[P]=0.1%）時，起始水深[h1]=0.521 m;在處于消能防沖洪水位（[P]=3.3%）時，起始水深[h1]=0.230 m。

水面線按照能量方程試算，公式如下：

式中，ΔS為分段長度，m;ΔES為分段末斷面能量ΔEsd與始斷面能量ΔEsu之差;i為泄槽底坡;J為分段內(nèi)平均摩阻坡降。經(jīng)計算，在處于校核洪水位（[P]=0.1%）時，泄槽末端水深[h]=0.6 m，流速[v]=32.11 m/s;在處于消能防沖洪水位（[P]=3.3%）時，泄槽末端水深[h]=0.6 m，流速[v]=15.8 m/s。

3.2.3 消力池底板抗浮穩(wěn)定計算

消力池邊墻頂高程為441.0 m，消力池底板高程為428.5 m，底板厚為2 m，邊墻采用衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 253—2018），消力池底板抗浮穩(wěn)定復(fù)核計算公式為：

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，kN;[Q1]、[Q2]為消力池頂面上的脈動壓力和底面上的揚壓力，kN。

消力池抗浮穩(wěn)定計算成果如表2所示。

由表2可知，在校核工況（P=0.1%）下，即使不采取基礎(chǔ)錨固措施，護(hù)坦抗浮穩(wěn)定性也能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

為確保大斗水庫混凝土面板堆石壩具有良好的泄流、消能和防沖刷效果，規(guī)劃設(shè)計階段結(jié)合工程地形地質(zhì)、洪水調(diào)度等成果，對泄洪建筑物平面布置及結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。論證分析和設(shè)計計算表明，大斗水庫布置的岸邊不設(shè)閘開敞式溢洪道及所采取的底流消能方式，與工程實際匹配性好，具有較高的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，滿足設(shè)計規(guī)范要求。

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