冉渡灘水庫規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

翁娜娜

（遵義灌區(qū)管理局，貴州 遵義 563000）

1 工程概況

洪渡河為烏江下游左岸一級支流，流域面積3 677 km2，干流河長205 km，多年平均徑流量27.0億m3，河谷深切狹窄，水流湍急，干流河道天然落差981 m，水力理論蘊(yùn)藏量25.8萬kW，技術(shù)可開發(fā)量14.3萬kW。冉渡灘水庫壩址位于洪渡河務(wù)川縣馬村壩河段，壩址以上流域面積997 km2、干流河長58.1 km，多年平均徑流量7.03億m3，多年平均流量22.3 m3/s[1]。

2003—2005 年期間，貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院與中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院開展了洪渡河流域規(guī)劃研究工作，提出了洪渡河干流德?。?48.00 m）、大水河（769.00 m）、冉渡灘（738.00 m）、紅毛洞（695.00 m）、沙壩（615.00 m）、石埡子（544.00 m）、高生（337.00 m）共計(jì)7 級的梯級開發(fā)方案。其中，冉渡灘水庫為第三級，因供水能力大、水質(zhì)好、位置較高、可實(shí)現(xiàn)自流輸水而具有覆蓋面廣、受益對象多、綜合效益突出的優(yōu)勢，被列入《貴州省水利建設(shè)生態(tài)建設(shè)石漠化治理綜合規(guī)劃》，并于2011年7月獲得國家發(fā)改委審批。該工程規(guī)劃任務(wù)是為城鎮(zhèn)、工業(yè)、農(nóng)村人飲供水及農(nóng)田灌溉供水，規(guī)劃總庫容5 480 萬m3，興利庫容2 830 萬m3，年供水量6 000萬m3[2]。

2 水文地質(zhì)

2.1 氣象水文

洪渡河流域?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，主要受兩高切變和冷鋒型天氣系統(tǒng)影響，冬暖夏熱，四季分明，雨量較豐沛，多年平均年降水量1 186.9 mm，設(shè)計(jì)壩址以上流域多年平均面降水量為1 189.0 mm，降水集中在4—9月，占年總量的76.7%。

洪渡河屬典型的山區(qū)雨源型河流，徑流由降水補(bǔ)給，徑流特性與降水基本一致，由于岸坡陡峭、河床下切，河槽調(diào)蓄作用小，洪峰一般僅持續(xù)1～2 h，多為單峰。壩址處徑流與洪水計(jì)算成果，詳見表1—2。

表1 壩址徑流統(tǒng)計(jì)分析成果

表2 壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果

2.2 工程地質(zhì)

工程區(qū)距區(qū)域性斷層較遠(yuǎn)，地震活動水平低，構(gòu)造穩(wěn)定。洪渡河為區(qū)內(nèi)地下水最低排泄基準(zhǔn)面，庫區(qū)含水巖組隔水性能較好，地表地下水無侵蝕性。庫區(qū)兩岸山體寬厚，地形封閉條件較好，區(qū)內(nèi)斷裂不發(fā)育，無永久性滲漏問題，成庫條件較好，庫首沿淺表部及繞壩肩裂隙型滲漏可作適當(dāng)防滲處理。庫區(qū)基巖多裸露，抗風(fēng)化能力較弱，受雨季地表水沖刷和蓄水后動水影響可能造成一定泥沙淤積[3]。

壩址處壩基較完整，主要為BⅣ1類，強(qiáng)度較高；部分為CⅣ類，抗滑、抗變形性能受結(jié)構(gòu)面及軟質(zhì)巖體一定程度的控制，宜選建重力壩型。河槽壩基河床沖洪積砂卵礫石及淤泥質(zhì)層開挖存在邊坡失穩(wěn)可能；左、右壩肩局部陡傾裂隙構(gòu)造與層面組合形成岸坡局部不穩(wěn)定塊體；壩址邊坡存在由弱卸荷帶裂隙、河床臨空面、層面組成的不穩(wěn)定地質(zhì)體，均應(yīng)采取支護(hù)等工程處理。

3 工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 工程規(guī)模與任務(wù)

冉渡灘水庫設(shè)計(jì)基準(zhǔn)年為2015 年，設(shè)計(jì)水平年為2030 年，正常蓄水位738.00 m，發(fā)電限制水位730.00 m，死水位724.00 m，正常蓄水位庫容4 490萬m3，興利庫容2 830萬m3，死庫容1 660萬m3，庫容系數(shù)4.03%，具備不完全年調(diào)節(jié)性能。水庫規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，永久性水工建筑物為3 級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇，電站為壩后式廠房，裝機(jī)容量為17 MW。

冉渡灘水庫設(shè)計(jì)供水能力9 120萬m3/a，多年平均供水量8 990萬m3/a，其中中心城區(qū)供水1 240萬m3/a、工業(yè)園區(qū)供水6 470 萬m3/a、農(nóng)村人畜飲水供水350萬m3/a（以上保證率P=95%），多年平均農(nóng)灌供水930 萬m3/a，河道內(nèi)水力發(fā)電供水4.70 億m3/a（以上保證率P=80%）。

3.2 工程選址與布置

根據(jù)建壩河段地形地質(zhì)條件，擬定上下兩壩址比選。上壩址位于旋塘河灣以上約500 m 處峽谷河段，采用拱壩樞紐布置；下壩址位于旋塘河灣至原擋水壩之間，采用重力壩樞紐布置。上下壩址相距約800 m，兩岸地形總體狹窄陡峻，中硬基巖較完整，適宜修建剛性壩。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較發(fā)現(xiàn)，下壩址地形地質(zhì)條件和施工條件較好，且較上壩址投資節(jié)省近2 000萬元，故選定為推薦壩址。

推薦壩址河谷為不對稱性“V”形河谷，寬高比為2.9，基礎(chǔ)巖體較完整，左岸及河床基礎(chǔ)巖性均一；右岸中下部及上部為灰?guī)r、中上部為頁巖，巖性不均一，不適宜建設(shè)拱壩。工程最大下泄流量約5 000 m3/s，岸邊式泄洪建筑物存在高邊坡問題，布置難度較大，因此不適宜建設(shè)面板堆石壩[4]。

擬建大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程742.5 m，最大壩高69.0 m，最大壩底寬62.3 m，壩頂長183.0 m。大壩左右兩側(cè)為非溢流壩段，長度分別為76.0、56.0 m，中間溢流壩段長47.0 m。壩體內(nèi)靠上游側(cè)設(shè)1 道灌漿兼排水廊道，下游側(cè)設(shè)1道副排水廊道，壩體設(shè)置1 排Φ200 排水口，上游壩坡708.0 m 高程以上鉛直、以下1∶0.2，下游壩坡732.0 m 高程以上鉛直、以下1∶0.8，壩頂寬8.0 m，壩軸線方向角為N62.26°E。

泄水建筑物采取泄洪表孔設(shè)閘布置形式，取水建筑物布置在左壩段，采取塔式進(jìn)水口+壩身埋管布置形式；發(fā)電引水建筑物布置在右壩段，選取一管一機(jī)方案，采取塔式進(jìn)水口+壩身埋管+壩后背管布置形式；發(fā)電廠房采用壩后地面式廠房；供水區(qū)輸水采用有壓重力流管道輸水，灌區(qū)采用無壓重力流明渠輸水。下壩線碾壓混凝土重力壩樞紐布置，如圖1所示。

圖1 下壩線碾壓混凝土重力壩樞紐布置

3.3 擋水建筑物設(shè)計(jì)

3.3.1 高程計(jì)算

根據(jù)調(diào)洪計(jì)算成果，冉渡灘水庫校核洪水位為741.28 m，正常蓄水位為738.00 m，計(jì)算吹程D=0.8 km，多年平均最大風(fēng)速10.6 m/s，計(jì)算風(fēng)速正常情況15.9 m/s、校核情況10.6 m/s，壩頂高程按下式計(jì)算：

式中：Δh為壩頂距水庫靜水位高度（m）；h1%為累積頻率為1%的浪高（m）；hz為波浪中心線至水庫靜水位的高度（m）；hc為安全超高（m），正常蓄水位取0.4 m、校核洪水位取0.3 m；g為重力加速度（m/s2）；v0為計(jì)算最大風(fēng)速（m/s）；D為風(fēng)區(qū)長度（m）；Lm為平均波長（m）；π為常數(shù)；H1為壩前水深（m）；hm為平均波高（m）。

壩頂高程計(jì)算成果，詳見表3。由表3 可知，校核洪水位壩頂高程為741.94 m，實(shí)際壩頂高程取742.50 m。

表3 壩頂高程計(jì)算成果m

3.3.2 應(yīng)力計(jì)算

壩體、閘墩、導(dǎo)墻等計(jì)入大壩自重，混凝土容重取24 kN/m3。

靜水壓力分為水平向水壓力和豎直向水重，水平向水壓力按三角形分布，按下式計(jì)算：

式中：γw為水的容重（kN/m3），取9.81 kN/m3；H為工況下作用水頭（m）。

壩踵處揚(yáng)壓力作用水頭為水庫上游水頭，壩趾處為水庫下游水頭。作用在大壩單位長度上的水平淤沙壓力按下式計(jì)算：

式中：γsb為淤沙浮重度（kN/m3），取8 kN/m3；hs為大壩壩前的淤沙淤積厚度（m），按50 a 壩前淤沙高程720 m計(jì)；φs為淤沙的內(nèi)摩擦角（°），取14°。

波浪要素按官廳水庫公式計(jì)算，作用在大壩單位長度上的浪壓力按下式計(jì)算：

式中：Pwk為單位長度迎水面上的浪壓力（kN/m）；其余變量含義同上。

設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位下泄洪時(shí)溢洪道反弧段單寬水流離心力按下式計(jì)算：

式中：Pxr為單位寬度上離心力合力的水平分力（N/m）；Pyr為單位寬度上離心力合力的垂直分力（N/m）；q為單寬流量（m2/s）；v為反弧段最低點(diǎn)處斷面平均流速（m/s）；φ1為反弧段圓心角（°）；φ2為反弧段挑射角（°）；ρw為靜水壓力（MPa）。

兩化融合能有效推動技術(shù)進(jìn)步、提升生產(chǎn)效率，推動我國經(jīng)濟(jì)提質(zhì)升級。假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果充分說明，第二產(chǎn)業(yè)兩化融合發(fā)展水平與投入產(chǎn)出比、人均工業(yè)增加值、全要素生產(chǎn)率呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(如圖8)。這表明，兩化融合的深入推進(jìn)，伴隨著固定資產(chǎn)投資效率的不斷提升、勞動生產(chǎn)率的不斷增長，還伴隨著技術(shù)進(jìn)步的快速發(fā)展。因此，兩化融合對于處理好我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度與質(zhì)量的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量提升“對沖”速度放緩，將經(jīng)濟(jì)發(fā)展推向質(zhì)量效益時(shí)代具有重大意義。

大壩應(yīng)力按下式計(jì)算：

持久計(jì)算工況考慮基本荷載組合1 正常蓄水位、基本荷載組合2設(shè)計(jì)洪水位；偶然計(jì)算工況考慮特殊荷載組合1校核洪水位、特殊荷載組合2施工期臨時(shí)擋水工況。根據(jù)計(jì)算成果可知，基本荷載組合下，最大壓應(yīng)力為0.92 MPa；特殊荷載組合下，最大壓應(yīng)力為0.98 MPa，大壩上游面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，均滿足規(guī)范要求。

3.3.3 穩(wěn)定計(jì)算

壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算按壩段進(jìn)行，分別在右岸取水口壩段、溢流壩段和左岸非溢流壩段各選取1 個(gè)有代表性的斷面進(jìn)行，斷面樁號分別為0+033.00、0+093.00、0+120.00。沿水平壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1及深層單滑面、雙滑面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1′、K2′計(jì)算公式如下：

式中：W為作用于壩體的全部荷載豎直向分值（kN）；∑P為作用于壩體的全部荷載的水平向分值（kN）；G1為第一滑裂面上巖體自重（kN）；G2為第二滑裂面上巖體自重（kN）；f1為壩體與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；f1′為壩體與第一滑裂面的抗剪斷摩擦系數(shù)；f2′為壩體與第二滑裂面的抗剪斷摩擦系數(shù)；C1為壩體與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力（kN）；C1′為壩體與第一滑裂面的抗剪斷凝聚力（kN）；C2′為壩體與第二滑裂面的抗剪斷凝聚力（kN）；A為壩基截面積（m2）；A1為第一滑裂面面積（m2）；A2為第二滑裂面面積（m2）；α為第一滑裂面與水平面的夾角（°）；β為第二滑裂面與水平面的夾角（°）；U1為第一滑裂面上的揚(yáng)壓力（kN）；U2為第二滑裂面上的揚(yáng)壓力（kN）；U3為第一、二滑裂面巖體作用面上的揚(yáng)壓力（kN）；Q為第一、二滑裂面巖體作用面上的作用力（kN）；φ為第一、二滑裂面巖體作用面與水平面的夾角（°）。

根據(jù)鉆孔取樣試驗(yàn)值確定巖土力學(xué)指標(biāo)，基于建基面地質(zhì)情況按計(jì)算斷面各巖層在壩基所占比例進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算工況同3.3.2，可知基本荷載組合工況最小安全系數(shù)為3.08，大于規(guī)范規(guī)定的3.0；特殊荷載組合最小安全系數(shù)為2.63，大于規(guī)范規(guī)定的2.5。壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果，詳見表4。

表4 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

3.4 泄洪建筑物設(shè)計(jì)

堰面曲線采用下式計(jì)算：

式中：k、n為與上游面坡度有關(guān)的參數(shù)，當(dāng)上游面鉛直時(shí)k=2.0、n=1.85；Hd為巖面曲線定型設(shè)計(jì)水頭（m）；x、y分別為以溢流堰定點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)，x向下游為正方形，y向下為正方形；m為實(shí)用堰流量系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，得到堰面曲線方程為y= 0.046 2x1.85。

泄流能力采用下式計(jì)算：

式中：Q為流量（m3/s）；B為孔口總凈寬（m）；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；σ淹為淹沒系數(shù)；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭（m）；m為實(shí)用堰流量系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

泄流能力復(fù)核計(jì)算成果，詳見表5。

表5 溢洪道泄流能力復(fù)核計(jì)算成果

泄槽水面線按照能量方程，用分段求和法計(jì)算，公式如下：

式中：ΔL1-2為分段長度（m）；h1、h2分別為分段始末斷面水深（m）；v1、v2分別為分段始末斷面平均流速（m/s）；α1、α2分別為流速分布不均勻系數(shù)；θ為泄槽底坡角度（°）；i為泄槽底坡；J為分段平均摩阻系數(shù)；n為泄槽糙率系數(shù)；v為分段平均流速（m/s）；R為分段平均水力半徑（m）；hb為計(jì)入波動和摻氣的水深（m）；h為不計(jì)入波動和摻氣的水深（m）；ξ為修正系數(shù)，取1.2；g為重力加速度（m/s2）。

經(jīng)計(jì)算可得，當(dāng)發(fā)生校核洪水（P=0.2%）時(shí)，下泄流量為5 050 m3/s；當(dāng)發(fā)生設(shè)計(jì)洪水（P=2.0%）時(shí)，下泄流量為3 510 m3/s。溢洪道泄槽各斷面水深與平均流速計(jì)算成果，詳見表6。其計(jì)算結(jié)果與水力學(xué)模型試驗(yàn)成果基本吻合。

表6 溢洪道泄槽各斷面水深與平均流速計(jì)算成果

4 結(jié)語

為開發(fā)利用洪渡河流域資源，貴州省提出了洪渡河七級梯級開發(fā)利用方案，為保障務(wù)川縣工農(nóng)業(yè)供水和人畜飲水需求，需要對梯級開發(fā)方案中的第三級冉渡灘水庫開展規(guī)劃設(shè)計(jì)研究。本文針對洪渡河流域水系特征，研究計(jì)算壩址設(shè)計(jì)徑流與洪水成果；通過對庫區(qū)和壩址處地質(zhì)條件分析評價(jià)，確定了碾壓混凝土重力壩的壩型，并確定水庫規(guī)模、主要任務(wù)和總體布置。根據(jù)得到的水庫總體布置方案，對關(guān)鍵的擋水和泄流建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)敘述，并介紹重要參數(shù)的計(jì)算過程，通過水庫建設(shè)與運(yùn)行管理情況來看，該設(shè)計(jì)方案是合理的。