猴山水庫泄水建筑物布置及設計綜述

郭鵬高

(綏中縣水利事務服務中心，遼寧 葫蘆島 125200)

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

猴山水庫位于綏中縣狗河中游，壩址距綏中縣35km。狗河發(fā)源于綏中縣加碑巖鄉(xiāng)，流經秋子溝、明水、范家、前衛(wèi)、沙河、網戶、荒地等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于網戶鄉(xiāng)后王虎三屯，注入渤海，河長86.7km，流域面積539km2。狗河流域上游似球形，中下游為帶狀呈寬淺型，如圖1所示。

圖1 猴山水庫壩址位置圖

猴山水庫控制面積377km2，壩址以上河長47.9km，水庫總庫容約1.59億m3，根據相關規(guī)范確定猴山水庫工程等別為II等，工程規(guī)模為大(2)型。樞紐建筑物包括引水隧洞、擋水副壩、引水壩段、門庫壩段、溢流壩段以及混凝土擋水壩段，永久性主要建筑物攔河主壩、副壩為2級；引水隧洞、壩后供水管和生態(tài)流量供水管建筑物級別根據供水重要性(中等)確定為3級；臨時性建筑物為4級；左右壩頭巖石邊坡級別為2級。攔河主壩洪水校核為1000年一遇，洪水設計按100年一遇。水庫設計、校核洪水位為134.89m和136.27m，正常蓄水位134.00m，訊限水位131.50m，死水位107.00m，興利庫容1.28億m3。

水庫建成后2020年向東戴河新區(qū)供水2847萬m3，2030年可與擬建工程聯(lián)合調度后可供水3296萬m3，另外可補償大官帽閘以下農業(yè)缺水557萬m3，補償壩址處生態(tài)水量為826萬m3，大官帽閘處生態(tài)水量為72萬m3。

1.2 水文地質構造

水庫壩址區(qū)地下水有第四系孔隙潛水、構造裂隙承壓水和基巖裂隙水等類型。庫尾部地下水位一般接近正常蓄水位，其中下坪河子村揭露一處上升泉，水頭高于正常蓄水位，庫區(qū)兩岸多為山地丘陵，地下水位一般低于正常高蓄水位，但地下分水嶺高程在150m以上，其地下水與狗河河水補給關系為兩岸地下水補給河水。

猴山水庫位于范家鄉(xiāng)趙家甸村附近，正常高蓄水位按134m回水至明水鄉(xiāng)下屯附近。庫區(qū)主要地貌為低山丘陵，平均海拔500m左右。庫區(qū)內河流沿線，凸岸多為懸崖，凹岸多為緩坡，河流兩岸階地分布比較零星，且多不對稱。根據前期地質測繪資料，庫區(qū)內分布有大、小型斷層3條(組)，即明水斷裂帶、F1斷層、F1-1上平河子——新莊斷層。

2 泄水建筑物布置方案

2.1 泄水建筑物型式比選

壩址處河谷呈“U”型不對稱，左岸岸坡陡峭(坡角約70°)，右岸岸坡相對平緩(坡角為20°-30°)，河谷底寬約130m，左壩端北側鞍部已被人工開挖成深槽，底寬約5-10m，底高程111.8m左右。溢流壩段沖刷坑部位覆蓋層較薄，一般厚2-3m，下部基巖為弱風化流紋斑巖，屬中硬巖，巖體較完整，無不利軟弱結構面及夾層，巖體抗沖刷能力強。因此，采用重力壩壩型可充分利用混凝土壩的特點，在壩體上布置泄水建筑物，使樞紐布置緊湊，泄流通暢。

經技術和經濟比較，在混凝土壩壩體上設置泄流表孔，具有布置協(xié)調、水流順暢、消能防沖設施簡單，工程投資最省、運行管理方便等明顯優(yōu)勢，因此設計選用壩身溢流表孔泄洪方案。

2.2 消能型式的選擇

考慮到泄水建筑物為壩身泄洪的型式，在壩下游水深天然變幅較小的條件下，可以采用底流消能和挑流兩種消能型式，根據工程具體情況，壩址下游的覆蓋層較薄，厚度2-3m，巖石強度較高，抗沖能力較強。此外，樞紐溢流壩部分位于河道中間，壩址下游河道較為寬闊，河道順直，無需采取防護措施。因此，與底流消能型式相比，采用挑流消能，消能方式更為簡單，檢修方便，可節(jié)省大量的消力池混凝土方量，從而使投資更為經濟。綜上所述，可選用挑流消能型式方案。

2.3 溢流壩規(guī)模比選

本次溢流壩規(guī)模的比選是在推薦壩址、壩型為混凝土重力壩、正常蓄水位為134.0m的基礎上進行的。在不改變水庫正常蓄水位、防洪限制水位以及供水能力的前提下，應盡可能減低工程投資、方便運行管理，合理確定溢流壩規(guī)模。

根據可研階段詳細比選的溢流壩規(guī)模，包括118.5m、120.0m、121.5m3個堰頂高程及42m、56m、70m3個溢流總凈寬的比選，以及推薦的溢流壩規(guī)模為溢流總凈寬56m，堰頂高程為120.0m，金屬結構布置為4孔單寬14m弧形閘門。該階段考慮堰頂高程保持不變，對不同孔口數量和尺寸進行進一步詳細比較，比選方案見表1。

表1 比選方案對比表

從以下幾個方面深入分析3個方案：①從壩頂高程分析，根據規(guī)范計算溢流壩設置4孔14m或5孔11m閘門對壩段高程無影響，5孔12m閘門壩頂高程僅降低0.4m，通過穩(wěn)定、應力計算，方案三非擋水壩段體型同方案2的底部寬度相同，僅上部直立部分高度減少0.5m，工程量減少的不多；②從結構方面分析，單孔跨度越大則相應梁結構尺寸就越大，帶來制作及吊裝難度的增大；③從運用調度角度分析，采用5孔閘門運行靈活，泄流可同步、對稱、均勻啟閉，可防止水流偏流而產生漩渦，減輕下游河道及兩岸的局部沖刷。

通過上述分析，雖然方案二(凈寬55m)比方案一(凈寬56m)的投資略高，但方案在結構和運行管理方面的優(yōu)勢更加明顯。同時，方案二比方案三(凈寬60m)的投資成本低，因此確定方案二為最佳方案。

3 溢流壩段設計

3.1 溢流壩段布置

溢流壩段布置于河道的主河床位置，設有5個泄洪表孔，布置在(9)-(14)壩段上，采用開敞式孔口，主要擔負水庫泄洪任務，壩段樁號為主壩0+134.00-0+203.00。溢流壩泄流總寬69.0m，凈寬55.0m，堰面曲線為WES型，通過反弧曲線(半徑25.0m)，下游直接與挑流消能鼻坎相連。溢流壩堰頂高程120.0m，分5孔，每孔凈寬11m，中墩厚度2.5m，邊墩厚2.0m，采用堰體分縫，每個壩段長13.5m，為開敞式溢流壩，壩基高程86.6m。

溢流壩堰頂前部設置平板檢修門，檢修門的啟閉設備利用設在壩頂上的7.5m跨度的雙向門機，門機軌頂高程138.20m，在8號擋水壩段上設檢修閘門門庫?；⌒伍l門采用液壓啟閉，啟閉機房位于溢流壩壩頂下游側的工作橋上，橋面高程138.20m。溢流壩采用挑流消能，挑坎高程為98.16m，挑角為18°，反弧半徑為25.0m。壩體內設城門洞型灌漿廊道，底高程91.80m，距離上游3.0m，廊道孔洞尺寸為2.5m×3.5m。

3.2 定型設計水頭Hd計算

根據工程布置堰高P1=28.20m，Hmax=16.27m，P1≥1.33Hd，溢流堰屬于高堰，定型設計水頭Hd=(0.75-0.95)Hmax。

根據規(guī)范對堰頂附近堰面壓力規(guī)定，堰面在常遇洪水閘門全開的條件下不宜產生負壓，堰頂附近負壓值在設計洪水、校核洪水閘門全開的條件下≤0.03MPa(相當于3.0m水頭)和0.06MPa(相當于6.0m水頭)。因此，選用各水頭比較，取Hd=0.80Hmax=12.954m，此時堰頂可能出現的最大負壓見表2。經計算，堰頂可能出現的最大負壓<規(guī)范值，堰型設計滿足要求。

表2 堰頂可能出現的最大負壓

3.3 堰面曲線

溢流壩堰面采用WES堰，冪曲線計算公式采用《混凝土重力壩設計規(guī)范》附錄A，其表達式為[1]：

xn=kHdn-1y

(1)

式中：Hd為堰面曲線定型設計水頭，文中取堰頂最大作用水頭Hmax的80%；x、y為堰面曲線原下游橫縱坐標；k為計算參數，取2.0；n為與上游堰坡有關的指數。溢流壩上游面垂直，原點上游堰面采用三圓弧曲線，曲線坐標見表3。下游曲線取K=2，n=1.85，x1.85=2×12.9540.85y，下游堰面曲線坐標見表4。

表3 上游堰面曲線坐標

表4 下游堰面曲線坐標

3.4 消能挑流鼻坎反弧半徑

1)反弧段半徑。規(guī)范建議以反弧最低點最大水深的4-10倍作為挑流鼻坎反弧半徑，經計算反弧段內最大流速v=24.09m/s，因此該工程取偏于下限，反弧半徑R=25m。溢流壩下游反弧段起點樁號為Sta0+023.550，反弧段起點高程106.777m。

2)挑流鼻坎挑角。根據消能防沖計算，在挑角θ=18.0°時較為合適，此時總挑距為66.13m，沖坑深度16.17m。

3)挑流鼻坎高程。根據《混凝土重力壩設計規(guī)范》要求，挑流鼻坎最低點高程可略低于下游最高洪水位，但宜高處設計洪水標準時消能防沖的下游水位，該工程下游最高水位為99.42m，消能防沖設計洪水標準泄洪時對應的下游水位為96.85m，根據計算和試驗確定的出射角及半徑，最后確定坎頂高程98.16m，反弧段最低點高程為96.885m。

設計用連續(xù)鼻坎挑流消能，初擬挑射角θ=180，反弧半徑R=25m，坎頂高程98.16m。各運行工況下，坎頂流速及水深計算結果見表5。

表5 坎頂流速及水深

3.5 泄流能力計算

溢流壩泄水能力按下式計算[1]，結果見表6。

表6 溢流壩泄流能力計算成果表

(2)

式中：Q為流量，m3/s；B為溢流堰凈寬，取5×11.0=55.0m；Hw為堰上計入行進流速的總水頭，m；m為流量系數；g為重力加速度，m/s2；C為上游面坡度影響修正系數，上游面垂直，C取1.0；ε為側收縮系數；σs為淹沒系數，取σs=1.0。

為了驗證選用泄水建筑物布置和斷面的可行性和合理性，對猴山水庫樞紐工程泄水建筑物進行水工斷面、水工整體的水力學模型試驗，重點對泄水建筑物泄流能力、泄流水面線、上、下游水流流態(tài)、消能效果等進行試驗研究[3-5]。斷面模型比例為1∶50 ，整體模型比例為1∶100，河床按靜/動床狀態(tài)考慮，結果見表7。

表7 開敞式溢流壩泄流能力(5孔泄流凈寬55m)

試驗表明，該方案下挑流鼻坎距溢流堰沖坑較遠，沖刷坑上游反坡均在1∶3-1∶6之間，滿足設計要求[6-9]。

4 結 論

1)猴山水庫具有泄洪流量大、地形構造復雜等特點，合理布置泄水建筑物對水庫工程建設及其安全運行極其重要，必須以水庫的安全運行為基本原則選擇技術可行、經濟合理的布設方案。

2)壩壩型可充分利用混凝土壩的特點，在壩體上布置泄水建筑物，使樞紐布置緊湊，泄流通暢。經技術和經濟比較，在混凝土壩壩體上設置泄流表孔，具有布置協(xié)調、水流順暢、消能防沖設施簡單，工程投資最省、運行管理方便等明顯優(yōu)勢，因此設計選用壩身溢流表孔泄洪方案。

3)為驗證泄水建筑物斷面和布置的合理性、可行性，對其進行水工整體、水工斷面的水力學模型試驗，重點對泄水建筑物泄流能力、泄流水面線、上、下游水流流態(tài)、消能效果等進行試驗研究。結果顯示，該方案下挑流鼻坎距溢流堰沖坑較遠，沖刷坑上游反坡均在1∶3-1∶6之間，滿足設計要求。